Time series analyses of Ku-band scatterometer data over Greenland for retrieval of spatial and temporal patterns of winter thaw events

Abstract

Die weiter voranschreitende globale Erwärmung hat einen großen Einfluss auf die Polarregionen. Grönland und dessen Eisdecke sind Gegenstand zahlreicher Untersuchungen, speziell im Bezug auf Schneeschmelze im Frühjahr und im Sommer. Scatterometerdaten des QuikSCAT Satelliten, aufgenommen im Ku-Band, haben sich aufgrund der Sensitivität gegenüber Schmelz- und Gefrierereignissen in Schneedecken als äußerst geeignet erwiesen. Wegen höheren Temperaturen, dem Einfuss der Nordatlantischen Oszillation (NAO) sowie auf Grönland vorherrschende Windsysteme ist die Winterschmelze von wachsender Bedeutung. Es beeinflusst biologische, ökologische und hydrologische Prozesse durch Verursachen von Huftier Sterben, anwachsendem NO3-N Export als auch dem Anstieg von starken Überschwemmungen. In dieser Arbeit wurde der Fokus auf die Wintermonate (November-März) gelegt für die Jahre 2000 bis 2008. Vier verschiedene Ansätze wurden verfolgt und auf ihre Fähigkeit Schmelzereignisse zu detektieren untersucht. Im ersten Fall wurde jeweils die Differenz des Rückstreuungskoeffizienten sigma0 basierend auf einem drei-Tage-vorher, drei-Tage-nachher Algorithmus berechnet. Im zweiten Fall wurde die Differenz zweier aufeinander folgender Tage untersucht. Zwei Ansätze der Parametrisierung wurden geprüft: ein konstanter Wert von 1.5 dB und ein standortbezogener noise Grenzwert. Für jeden Winter konnten Schmelzereignisse detektiert werden, das Flächenmäßig größte Ereignis aber war in den letzten Novembertagen im Jahr 2005 gefunden worden. Verglichen mit insitu Daten des Grönland Klimanetzwerkes (Temperatur) und der Nationalen Ozean- und Atmosphärenbehörde (Niederschlag) konnten die Ereignisse untersucht werden um abzuschätzen ob die Temperatur und/oder Niederschlag für das Ergebnis verantwortlich war. Die Unterschiede der Ansätze variierten nicht nur in zeitlicher und umfangmäßiger Erfassung sondern auch in ihrer räumlichen Ausprägung.

The ongoing global warming has high effects on the polar regions. Greenland and its ice shield has been object of numerous investigations, especially when considering spring and summer snow melt trends. Scatterometer data acquired in Ku-band from the QuikSCAT satellite have been proven to be highly applicable because of the sensitivity to snow cover thaw-freeze dynamics. Due to the higher average temperatures, the influence of the North Atlantic Oscillation (NAO), and prevailing wind systems over Greenland winter thaw is of growing importance. It affects the biological, ecological, and hydrological processes by causing ungulate mortality, increasing NO3-N export, and leading to severe flooding. In this study, the focus was set on winter months (November-March) for the time frame from 2000 to 2008. Four different approaches were examined due to their capability of detecting thaw events. In the first case the difference of the backscatter coefficient sigma0 based on a three-day moving window was used. In the second case the difference between two consecutive days was used. Two types of parameterization have been investigated: a constant threshold was set to 1.5 dB and a location speciffc noise level. For all winters thaw events were detected, however the spatially largest extent was found during late November, 2005. Compared to in-situ data from the Greenland Climate Network (temperature) and National Oceanic and Atmospheric Administration(precipitation), the results were investigated to validate if the temperature and/or precipitation were an indicator for the ongoing melt. The different approaches not only varied for date and size when detecting thaw, even spatial irregularities were found.