home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NASA Climatology Interdisciplinary Data Collection / NASA Climatology Interdisciplinary Data Collection - Disc 2.iso / readmes / readme.sea_ice < prev    next >
Text File  |  1998-03-04  |  74KB  |  1,443 lines

  1.                               [CIDC FTP Data]
  2.                          [ Seaice IDC Data on FTP]
  3.  
  4. Data Access
  5.  
  6.      SMMR & SSM/I Sea Ice Concentration Data
  7.  
  8.                                    [rule]
  9.  
  10. Readme Contents
  11.  
  12. (Based on Cavalieri et al., 1984 & 1997, and NSIDC 1995 User's Guide)
  13.  
  14.      Data Set Overview
  15.           Sponsor
  16.           Original Archive
  17.           Future Updates
  18.  
  19.      The Data
  20.           Characteristics
  21.           Source
  22.  
  23.      The Files
  24.           Format
  25.           Name and Directory Information
  26.           Companion Software
  27.  
  28.      The Science
  29.           Theoretical Basis of Data
  30.           Processing Sequence and Algorithms
  31.           Scientific Potential of Data
  32.           Validation of Data
  33.  
  34.      Contacts
  35.           Points of Contact
  36.  
  37.      References
  38.  
  39.                                    [rule]
  40.  
  41. Data Set Overview
  42.  
  43.      Sea ice plays an important role in the global climate system. It
  44.      serves as an effective insulator between the ocean and the
  45.      atmosphere, restricting exchanges of heat, mass momentum, and
  46.      chemical constituents. Multi-channel passive microwave radiance
  47.      measurements made from number of satellites are used to map,
  48.      monitor and study the Arctic and Antarctic polar sea ice covers.
  49.  
  50.      The monthly averaged sea ice concentration data set presented here
  51.      is generated from observations made by four different space borne
  52.      microwave imagers. The data set spans over 18 years(1978-1996),
  53.      starting with the Scanning Multichannel Microwave Radiometer
  54.      (SMMR) on NASA Nimbus 7 in 1978 and continuing with the Defense
  55.      Meteorological Satellite Program (DMSP) Special Sensor
  56.      Micro-wave/Imager (SSM/I) series beginning in 1987.
  57.  
  58.      Sponsor
  59.      The production and distribution of this data set are being funded
  60.      by NASA's Earth Science enterprise. The data are not copyrighted;
  61.      however, we request that when you publish data or results using
  62.      these data please acknowledge as follows:
  63.  
  64.           The authors wish to thank the Distributed Active Archive
  65.           Center (Code 902) at Goddard Space Flight Center,
  66.           Greenbelt, MD, 20771, for producing the data in its
  67.           present format and distributing them. The original data
  68.           products were produced by NASA Team :Drs. Cavalieri,
  69.           Parkinson, Gloersen, and Zwally of the Oceans and Ice
  70.           Branch (code 971), Laboratory for Hydrospheric
  71.           Processes, NASA Goddard Space Flight Center in
  72.           Greenbelt. Goddard DAAC's share in these activities was
  73.           sponsored by NASA's Earth Science enterprise.
  74.  
  75.      Original Archive
  76.      The monthly averaged sea ice concentration data was acquired from
  77.      the Laboratory for Hydrospheric Processes, Ocean and Ice Branch at
  78.      NASA Goddard Space Flight Center. The original data can be
  79.      obtained also from the National Snow and Ice Data Center (NSIDC).
  80.      The original data was on a polar stereographic projection with
  81.      grid elements of approximately 25x25 km. The Goddard DAAC has
  82.      resampled the data on 1x1 degree equal angle projection and
  83.      combined the data sets provided separately for North and South
  84.      polar regions into one file (filling the uncovered regions near
  85.      the equator with the masking code) for the comaptibility with the
  86.      other climate datasets in the interdisciplinay data collection.
  87.  
  88.      Future Updates
  89.      The Goddard DAAC will update this data set as new data are
  90.      processed and made available at NSIDC.
  91.  
  92. The Data
  93.  
  94.      Characteristics
  95.  
  96.         * Parameters: Sea ice concentration (fraction of grid cell area
  97.           which is covered by sea ice) expressed as a percent.
  98.  
  99.         * Units: percent ( x 10 )
  100.         * Typical Range: 0 to 1000
  101.  
  102.         * Temporal Coverage: October 1978 through December 1996
  103.                Oct 78 - Aug 87 ... Nimbus-7 SMMR
  104.                Sept 87 - Dec 91 ... DMSP-F8 SSM/I
  105.                Jan 92 - Sept 95 ... DMSP-F11 SSM/I
  106.                Oct 95 - Dec 96 ... DMSP-F13 SSM/I
  107.         * Temporal Resolution: Monthly means
  108.  
  109.         * Spatial Coverage: Global
  110.         * Spatial Resolution: 1 degree x 1 degree
  111.  
  112.      Source
  113.  
  114.           Multichannel Passive-Microwave Satellite Data Sets
  115.  
  116.           For the purpose of providing a consistent long term
  117.           ice-concentration data set, brightness temperature data
  118.           from the SMMR and SSM/I sensors mapped on to a common
  119.           (the SSM/I) north and south polar grids were obtained
  120.           from NSIDC( NSIDC, 1995). The NASA Team Algorithm
  121.           (Cavalieri et al. 1984, Gloersen and Cavalieri 1986)was
  122.           used to calculate sea ice concentrations from brightness
  123.           temperatures derived from Scanning Multichannel
  124.           Microwave data, and a common land mask, recently updated
  125.           for the SSM/I grids (Martino et al., 1995), was applied.
  126.  
  127.           The four satellite data sets employed and the periods
  128.           for which the data used are: the Nimbus 7 SMMR from
  129.           October 25, 1978 through August 20, 1987, the DMSP-F8
  130.           SSM/I from July 9, 1987 through December 18, 1991 (with
  131.           the exception of the data gap from December 3, 1987
  132.           through January 12, 1988), the DMSP-F11 SSM/I from
  133.           December 3, 1991 through September 30, 1995, and the
  134.           DMSP-F13 SSM/I starting from October 1995. A single
  135.           channel and two other multichannel passive microwave
  136.           satellite imagers flown in the 1970s, but not included
  137.           here, are the Nimbus 5 ESMR, the Nimbus 6 ESMR and the
  138.           SeaSat SMMR respectively. The Nimbus 5 ESMR was not used
  139.           because of the lack of overlap data with the Nimbus 7
  140.           SMMR, while the Nimbus 6 ESMR was omitted because of the
  141.           poor quality of the data. The SeaSat SMMR was omitted
  142.           because of not providing adequate coverage of the polar
  143.           regions.
  144.  
  145.           Nimbus 7 SMMR
  146.  
  147.           Descriptions of the SMMR instrument design, the
  148.           operating characteristics, and the procedures used to
  149.           obtain calibrated brightness temperatures and sea ice
  150.           concentrations are given by Gloersen et al. (1992). The
  151.           Scanning Multichannel Microwave Radiometer operated on
  152.           NASA's Nimbus 7 satellite for more than eight years,
  153.           from 24 October 1978 to 20 August 1987, transmitting
  154.           data every other day. Intended to obtain ocean
  155.           circulation parameters such as sea surface temperatures,
  156.           low altitude winds, water vapor and cloud liquid water
  157.           content on an all weather basis, the SMMR is a ten
  158.           channel instrument capable of receiving both
  159.           horizontally and vertically polarized radiation. The
  160.           instrument could deliver orthogonally polarized antenna
  161.           temperature data at five microwave wavelengths, 0.81,
  162.           1.36, 1.66, 2.8 and 4.54 cm. The antenna beam maintained
  163.           a constant nadir angle of 42 degrees, resulting in an
  164.           incidence angle of 50.3 degrees at Earth's surface. The
  165.           antenna was forward viewing and rotated equally +/- 25
  166.           degrees about the satellite subtrack. The 50 degree scan
  167.           provided a 780 km swath of the Earth's surface. Scan
  168.           period was 4.096 seconds.
  169.  
  170.           Conversion of the raw radiometric readings to microwave
  171.           brightness temperatures involved correcting for actual
  172.           antenna patterns, including side lobe effects, as well
  173.           as separating out the horizontal and vertical
  174.           polarization components of each of ten channels of
  175.           radiometric data.
  176.  
  177.           After launch, the prelaunch constants was updated by
  178.           checking against earth targets of known properties -
  179.           open, calm sea water with clear skies or light clouds,
  180.           and consolidated first-year sea ice. The brightness
  181.           temperatures were verified by comparison with brightness
  182.           temperatures obtained from airborne radiometer with all
  183.           SMMR channels during Nimbus 7 underflights. The
  184.           underflights were particularly important, since
  185.           extrapolation from the laboratory cold reference of 100
  186.           degrees Kelvin to the postlaunch value of 30 degrees K
  187.           cannot be done with complete confidence. The algorithm
  188.           to obtain sea ice concentration employs three of the ten
  189.           channels of the SMMR instrument: vertically and
  190.           horizontally polarized radiances at 18 GHz and
  191.           vertically polarized radiances at 37 GHz. Before
  192.           computing sea ice concentrations, isolated missing
  193.           brightness temperature pixels on the daily brightness
  194.           temperature maps were filled by spatial interpolation.
  195.           Larger areas of missing data were filled later by
  196.           temporal interpolation of the sea ice concentrations.
  197.  
  198.           The corrections (Gloersen et al.1992), were made for a
  199.           long term drift in the SMMR data and for errors related
  200.           to ecliptic angle ( observed in the first 8.8 year data
  201.           set), full orbits of bad data, individual scans of bad
  202.           data, misplaced scans from the opposite node, and
  203.           misplaced scans from unknown origin. These were
  204.           identified by checking each daily image from both the
  205.           ascending node data and the descending node data. All of
  206.           the errors identified and considered to be sufficiently
  207.           serious to warrant exclusion were removed in the
  208.           ascending and descending node data sets separately
  209.           before averaging the data from the two nodes to provide
  210.           daily brightness temperature matrices. Finally,
  211.           additional corrections were applied to the three
  212.           channels (18 GHz H & V, 37 GHz V) of previously
  213.           corrected data used in the sea ice algorithm (Gloersen
  214.           et al. 1992), following a procedure similar to that
  215.           described in Gloersen et al. (1992), but with higher
  216.           precision. The 8.8 year drifts in these channels were
  217.           reduced to values well below the instrument noise values
  218.           given in Gloersen and Barath (1977) and lower than in
  219.           the previously corrected data.
  220.  
  221.           DMSP-F8, F11, and F13 SSM/I
  222.  
  223.           The DMSP Block 5D-2 F8 spacecraft flew in a near polar
  224.           sun-synchronous orbit. Launched on 18 June 1987, the
  225.           satellite accomplished 14.1 revolutions per day, with
  226.           the subsatellite ground track repeating approximately
  227.           every 16 days. F8 coverage ended 31 December 1991. The
  228.           DMSP F9 did not carry an SSM/I sensor, and the orbit of
  229.           the F10 did not allow for collection of useful polar
  230.           data, so the DMSP F11 was selected to provide the
  231.           follow-on data stream for the passive microwave polar
  232.           gridded time series. Launched on 28 November 1991, the
  233.           F11 also flew in a sun-synchronous orbit.
  234.  
  235.           The SSM/I is a seven channel, four frequency, linearly
  236.           polarized, passive microwave radiometric system. The
  237.           instrument measures atmospheric/ocean surface antenna
  238.           temperatures at 19.3, 22.2, 37.0 and 85.5 GigaHertz
  239.           (GHz).
  240.  
  241.           The instrument consists of a 24 x 26 inch offset
  242.           parabolic reflector fed by a corrugated, broad-band,
  243.           seven-port horn antenna. The reflector and feed are
  244.           mounted on a drum which contains the radiometers The
  245.           reflector-feed drum assembly is rotated about the axis
  246.           of the drum by a coaxially mounted Bearing And Power
  247.           Transfer Assembly (BAPTA).
  248.  
  249.           The SSM/I sensor rotates at a uniform rate making one
  250.           revolution in 1.9 seconds, during which time the
  251.           satellite advances 12.5 km. The antenna beams are at an
  252.           angle of 45 degrees to the BAPTA rotational axis, which
  253.           is normal to the earth's surface. Thus, as the antenna
  254.           rotates, the beams define the surface of a cone, and,
  255.           from the orbital altitude of 833 km, make an angle of
  256.           incidence of the ground track aft of the satellite,
  257.           resulting in a scene swath width of 1394 km. The
  258.           radiometer outputs are sampled differently on alternate
  259.           scans. During the scene portion of the scans (Type A)
  260.           the five lower frequency channels are each sampled over
  261.           64 equal 1.6 degree intervals, and the two 85.5 GHz
  262.           channels are each sampled over 128 equal 0.8 degree
  263.           intervals, or approximately every 11 km along the scan.
  264.           During the alternate scans (Type B), only the two 85.5
  265.           GHz channels are sampled, at 128 equal intervals. Thus,
  266.           the five lower channels are sampled on an approximately
  267.           25 km grid along the scan and along the track. The two
  268.           85.5 GHz channels are sampled at 12.5 km both across and
  269.           along the track.
  270.  
  271.           Coverage is global except for circular sectors centered
  272.           over the pole, 280 km in radius located poleward of 87
  273.           degrees North and 87 degrees South which are never
  274.           measured due to orbit inclination. The measurement
  275.           footprint size (effective field of view) is as follows:
  276.  
  277.                           19.3 GHz  70x45 km
  278.                           22.2 GHz  60x40 km
  279.                           37.0 GHz  38x30 km
  280.                           85.5 GHz  16x14 km
  281.  
  282.           [Scan Geometry]
  283.  
  284.           SSM/I A/B Scan Geometry: Swath data consist of A/B scan
  285.           pairs. Each pair includes 256 scene stations (numbered).
  286.           Scene station numbers (parameter position numbers) are
  287.           indicated. Large circles signify all channels, small
  288.           circles stand for 85 GHz channels. Brackets indicate
  289.           scene stations lost due to antenna pattern correction.
  290.  
  291.           For calibration, a small mirror and a hot reference
  292.           absorber are mounted on the BAPTA and do not rotate with
  293.           the drum assembly. They are positioned off-axis such
  294.           that they pass between the feed horn and the parabolic
  295.           reflector, occulting the feed once each scan. The mirror
  296.           reflects cold sky radiation into the feed, thus serving,
  297.           along with the hot reference absorber, as calibration
  298.           references for the SSM/I. This scheme provides an
  299.           overall absolute calibration which includes the feed
  300.           horn. Corrections for spillover and antenna pattern
  301.           effects from the parabolic reflector are incorporated in
  302.           the data processing algorithms.
  303.  
  304.           The 85 GHz channels are considered experimental because
  305.           a passive microwave sensor with 12.5 km resolution has
  306.           never before been deployed on an orbital scanner.
  307.           Therefore these channels are not used in this analysis.
  308.           The SSM/I Sea Ice Algorithm Working Team (SSIAWT)
  309.           decided to retain as many of these data records as
  310.           possible, despite the anomalies that will be observed
  311.           within the 85 GHz grids. F11 antenna temperature values
  312.           are sometimes completely unphysical, ranging from 0 K to
  313.           650 K. The cause for this is unclear, but telemetry
  314.           errors are suspected. Data less than 50 K and greater
  315.           than 350 K are flagged and not processed.
  316.  
  317.           The 4.5 year F8 19-37 GHz data were found to be free of
  318.           orbit dependent (ecliptic angle) brightness temperature
  319.           variations using a technique similar to what was used
  320.           for the SMMR data (Gloersen et al., 1992). based on the
  321.           F8 experience, the F11 SSM/I was presumed also to be
  322.           free of this defect. The drift determined by the method
  323.           used for the SMMR data over the 7 year SSM/I period
  324.           resulted in brightness temperature changes below or at
  325.           the instrument noise level for the SSM/I (see Table 1.4
  326.           in Hollinger, 1989), and was therefore considered to
  327.           have no significant impact on the computed sea ice
  328.           concentrations (less than 0.5%) either for consolidated
  329.           sea ice or at the ice edge, and so were ignored. A
  330.           comparison of instruments and of the differences in
  331.           orbital parameters (Abdalati et al. 1995) between the F8
  332.           and F11 using overlapping data indicated a high degree
  333.           of correlation (greater than 0.98) between the F8 and
  334.           F11 data sets. Small variations were attributed to the
  335.           different orbital characteristics of the two satellites,
  336.           especially to the differences in data collection times.
  337.  
  338.            Table 1. Sensor and spacecraft orbital characteristics
  339.                 of the sensors used in generating the sea ice
  340.                               concentrations.
  341.  
  342.             Parameter  Nimbus-7 SMMR    DMSP F8      DMSP F11      DMSP F13
  343.            Launch Time Oct 24, 1978  Jun 18, 1987  Nov 28, 1991  Mar 24, 1995
  344.            Nominal
  345.            Altitude    955 km        860 km        830 km        830 km
  346.            Inclination
  347.            Angle       99.3 degrees  98.8 degrees  98.8 degrees  98.8 degrees
  348.            Orbital
  349.            Period      104 minutes   102 minutes   101 minutes   101 minutes
  350.            Ascending
  351.            Node                                    approximately
  352.            Equatorial  approximately approximately 5:00          approximately
  353.            Crossing    12:00 noon    6:00 a.m.     p.m.,drifted  5:00 p.m.
  354.            (local time)                            to 7 p.m.
  355.            Algorithm
  356.            frequencies 18.0 & 37.0   19.4 & 37.0   19.4 & 37.0   19.4 & 37.
  357.            (GHz)
  358.            3 dB Beam
  359.            width       1.6, 0.8      1.9, 1.1      1.9, 1.1      1.9, 1.1
  360.            (degree)
  361.            Earth
  362.            incidence   50.2          53.1          52.8          52.8
  363.            angle
  364.  
  365.           Based on the analysis, a set of corrections have been
  366.           applied to F11 and F13 data to maximize consistency
  367.           between the data sets.
  368.  
  369. The Files
  370.  
  371.      Format
  372.  
  373.      This dataset contains monthly averaged global gridded sea ice
  374.      concentration estimates. Data in each file progresses from North
  375.      to South and from West to East beginning at 180 degrees West and
  376.      90 degrees North. Thus first point represents the grid cell
  377.      centered at 89.5 degree North and 179.5 West. Grids over land are
  378.      filled by masking code ( -9999).
  379.  
  380.      Format
  381.  
  382.      Data Files
  383.  
  384.         * File Size: 259200 bytes, 64800 data values
  385.         * Data Format: IEEE floating point notation
  386.         * Headers, trailers, and delimiters: none
  387.         * Data Missing Code:
  388.                For latitudes above 84 degree North: -999.9
  389.                For regions where ice was not expected thus data was not
  390.                reported
  391.                     All the land area over the globe: -9999.0
  392.                     ocean in the low and mid lattitudes: -1.0
  393.         * Image orientation: North to South
  394.                Start position: (179.5W, 89.5N)
  395.                End position: (179.5E, 89.5S)
  396.  
  397.      Name and Directory Information
  398.  
  399.      Naming Convention:
  400.  
  401.      The file naming convention for the Global land Precipitation
  402.      Dataset is
  403.           smmr_n07.seaice.1nmego.[yymm].ddd .. (Oct 78- Aug 87)
  404.           ssmi_f08.seaice.1nmego.[yymm].ddd .. (Sept 87- Dec 91)
  405.           ssmi_f11.seaice.1nmego.[yymm].ddd .. (Jan 92- Sept 95)
  406.           ssmi_f13.seaice.1nmego.[yymm].ddd .. (Oct 95- Dec 96) ..
  407.  
  408.      where
  409.           smmr_n07 = Scanning Multichannel Microwave Radiometer on
  410.           Nimbus-7
  411.           ssmi_f08 = Special Sensor Microwave Imager on DMSP - F08
  412.           ssmi_f11 = Special Sensor Microwave Imager on DMSP - F11
  413.           ssmi_f13 = Special Sensor Microwave Imager on DMSP - F13
  414.           seaice = Sea ice concentration
  415.           1 = number of levels
  416.           n = vertical coordinate, n = not applicable
  417.           m = temporal period, m = monthly
  418.           e = horizontal grid resolution, e = 1 x 1 degree
  419.           go = spatial coverage, go = global (ocean)
  420.           yy = year
  421.           mm = month number
  422.           ddd = file type designation, (bin=binary, ctl=GrADS control
  423.           file)
  424.  
  425.      Directory Path
  426.  
  427.           /data/inter_disc/hydrology/sea_ice/yyyy
  428.  
  429.      where yyyy is year.
  430.  
  431.      Companion Software
  432.      Several software packages have been made available on the CIDC
  433.      CD-ROM set. The Grid Analysis and Display System (GrADS) is an
  434.      interactive desktop tool that is currently in use worldwide for
  435.      the analysis and display of earth science data. GrADS meta-data
  436.      files (.ctl) have been supplied for each of the data sets. A GrADS
  437.      gui interface has been created for use with the CIDC data. See the
  438.      GrADS document for information on how to use the gui interface.
  439.  
  440.      Decompression software for PC and Macintosh platforms have been
  441.      supplied for datasets which are compressed on the CIDC CD-ROM set.
  442.      For additional information on the decompression software see the
  443.      aareadme file in the directory:
  444.  
  445.           software/decompression/
  446.  
  447.      Sample programs in FORTRAN, C and IDL languages have also been
  448.      made available to read these data. You may also acquire this
  449.      software by accessing the software/read_cidc_sftwr directory on
  450.      each of the CIDC CD-ROMs
  451.  
  452. The Science
  453.  
  454.      Sea ice forms through the freezing of sea water over large areas
  455.      of the polar oceans in both hemispheres and covers as much as
  456.      30,000,000 km^2 of the Earth's surface. This large expanse of ice
  457.      greatly reduces the exchange of heat, mass, and momentum between
  458.      ocean and atmosphere and decreases the amount of solar radiation
  459.      absorbed at the surface. These processes depend strongly on time
  460.      and location because of the high temporal and spatial variability
  461.      of the sea ice cover in each hemisphere.
  462.  
  463.      Sea Ice exists in regions that are dark for several months of the
  464.      year and very frequently cloudy in the remaining months. The
  465.      ability of microwave sensors to view the Earth's Surface under all
  466.      weather conditions, day or night, provides the opportunity to
  467.      obtain the required sea ice and ocean observations.
  468.  
  469.      The two major types of sea ice that are known (Wilheit et al.,
  470.      1972; Gloersen et al., 1973; Campbell et al., 1974) to have
  471.      distinctly different microwave emissivities are first-year ice
  472.      (ice that is at least 30 cm thick but not undergone a melt season)
  473.      and multiyear ice (ice that has survived at least one melt
  474.      season). Also new and young ice (under 30 cm thick) are known to
  475.      have distinctly different microwave emissivities from first-year
  476.      ice (Ramseier et al., 1975; Gloersen et al., 1975; Cavalieri et
  477.      al., 1986; Grenfell and Comiso, 1986; Comiso et al., 1989).
  478.      However, the presence of these additional ice types within the
  479.      sensor field of view cannot be determined unambiguously and thus
  480.      contributes to the error of the calculated ice concentration.
  481.  
  482.      Theoretical Basis of Data
  483.  
  484.           The NASA Team Algorithm (Cavalieri et al, 1984)uses
  485.           three microwave channels in calculating sea ice
  486.           concentration. The channels are 19.4-GHz horizontally
  487.           (H) and vertically (V) polarized and the vertically
  488.           polarized 37.0-GHz. This algorithm is functionally the
  489.           same as the Nimbus 7 SMMR algorithm described by
  490.           Cavalieri et al. (1984) and Gloersen and Cavalieri
  491.           (1986). The radiances from each of the three channels
  492.           are first mapped onto polar stereographic grids (the
  493.           so-called SSM/I grid). The gridded radiances are then
  494.           used to calculate the grid values for the two
  495.           independent variables used in the algorithm. These are
  496.           the polarization (PR) and spectral gradient ratios (GR)
  497.           defined by
  498.  
  499.                 PR = [TB(19V)-TB(19H)]/[TB(19V)+TB(19H)]                   (1)
  500.  
  501.                  GR = [TB(37V)-TB(19V)]/[TB(37V)+TB(19V)]                  (2)
  502.  
  503.           where TB is the observed brightness temperature at the
  504.           indicated frequency and polarization. From these two
  505.           parameters the first-year ice concentration (CF) and the
  506.           multiyear ice concentration (CM) are calculated from the
  507.           following equations:
  508.  
  509.                                CF = (a0 + a1PR + a2GR + a3PR * GR)/D      (3)
  510.                                CM = (b0 + b1PR + b2GR + b3PR * GR)/D      (4)
  511.                               where D = c0 + c1PR + c2GR + c3PR * GR      (5)
  512.  
  513.           The total ice concentration (CT) is the sum of the
  514.           first-year and multiyear concentrations
  515.  
  516.                                        CT = CF + CM                       (6)
  517.  
  518.           The coefficients ai, bi, and ci (i = 0, 3) are functions
  519.           of a set of nine TBs. These TBs, referred to as
  520.           algorithm tie points, are observed SSM/I radiances over
  521.           areas of known ice-free ocean, first-year (FY) sea ice,
  522.           and multiyear (MY) ice for each of the three SSM/I
  523.           channels. In addition to constraining the solutions to
  524.           concentrations between 0% and 100%, the algorithm also
  525.           sets the total ice concentration to 0% for those SSM/I
  526.           grid cells with GR values greater than preset
  527.           thresholds. This serves to reduce spurious ice
  528.           concentrations caused by weather-related effects over
  529.           ice-free ocean. This so-called weather filter is
  530.           discussed later.
  531.  
  532.           SSM/I Tie Points
  533.  
  534.           The selection of the SSM/I F8 tie points was based on an
  535.           analysis of SSM/I TBs, PR-GR distributions, histograms
  536.           of sea ice concentrations, and on comparisons with near
  537.           simultaneous measurements from the Nimbus-7 SMMR during
  538.           July and August 1987. The two sets of SSM/I tie points
  539.           (one for the Northern Hemisphere and one for the
  540.           Southern Hemisphere) represent a global set designed for
  541.           mapping global ice concentrations. While this global set
  542.           of tie points provides a uniform measure of sea ice
  543.           concentration on the large scale, improved accuracy is
  544.           obtained with the use of regionally selected tie points
  545.           (Steffen and Schweiger 1991). Please note that tie
  546.           points are the same for F8 and F11 data.
  547.  
  548.           The ice-free (open water) tie points were chosen to be
  549.           near minimum ice-free ocean TBs (corresponding to near
  550.           maximum values of PR). By choosing near minimum TBs, the
  551.           PR range between open water and FY ice is about an order
  552.           of magnitude, permitting greater algorithm sensitivity
  553.           for detecting changes in ice concentration. Although the
  554.           Arctic and Antarctic open water tie points were selected
  555.           independently, the TB difference for corresponding
  556.           channels is no more than about 1 K .
  557.  
  558.           The ice tie point selection was more difficult, since
  559.           the passive-microwave ice signatures depend on region
  560.           and season. This is particularly true of Arctic MY ice.
  561.           Even for a given region and season there is a certain
  562.           amount of random variability for a given ice type. Thus,
  563.           there is generally a range of TBs that could be used as
  564.           tie points. The series of SSM/I aircraft underflights
  565.           helped in this regard (Cavalieri et al. 1991). Mosaic
  566.           patterns covering several SSM/I image pixels were flown
  567.           in the central Arctic over a two-week period in March
  568.           1988. Although the mosaicked aircraft data did not
  569.           provide radiometric coverage at the SSM/I frequencies
  570.           and polarizations, it did provide a constraint on the
  571.           ice concentrations, which were calculated from passive
  572.           and active microwave imagery. This allowed adjustment of
  573.           the ice tie-points within the range of allowable values
  574.           to improve the accuracy to within a few percent
  575.           (relative to the aircraft data).
  576.  
  577.           The need for different ice type tie points for the
  578.           Arctic and Antarctic results from the very different
  579.           environmental conditions of the two polar regions.
  580.           Indeed, the observed physical characteristics of
  581.           Antarctic sea ice are different from those in the Arctic
  582.           (Ackley et al. 1980, Wadhams et al. 1987), implying a
  583.           corresponding difference in microwave radiance
  584.           characteristics. In the Antarctic the two ice types
  585.           distinguished by the algorithm are identified as ice
  586.           type A and ice type B. Significant differences are found
  587.           between the Arctic first-year and Antarctic ice type A
  588.           tie points and between the Arctic multiyear ice and
  589.           Antarctic ice type B tie points. While ice temperature
  590.           differences may explain some of the observed tie point
  591.           differences for corresponding ice types, real emissivity
  592.           differences are reflected in the polarization and
  593.           spectral differences. In the Antarctic the radiometric
  594.           distinction between first-year (seasonal) ice and
  595.           multiyear (perennial) ice is lost. Unlike the Arctic,
  596.           where the predominant source of negative gradient ratios
  597.           is the volume scattering by the empty brine pockets in
  598.           the freeboard portion of multiyear ice, in the
  599.           Antarctic, the main source of volume scattering is from
  600.           sources other than multiyear ice. One very likely source
  601.           of volume scattering is the snow cover on the sea ice.
  602.           Snow cover of sufficient depth and of sufficiently large
  603.           grain size will mimic the microwave signature of
  604.           multiyear ice.
  605.  
  606.           Weather Filter
  607.  
  608.           A problem in mapping the polar sea ice covers in both
  609.           hemispheres has been the false indication of sea ice
  610.           over the open ocean and at the ice edge. These spurious
  611.           sea ice concentrations result from the presence of
  612.           atmospheric water vapor, nonprecipitating cloud liquid
  613.           water, rain and sea surface roughening by surface winds.
  614.           While these effects are relatively minor at polar
  615.           latitudes in winter, they result in serious weather
  616.           contamination problems at all latitudes in summer
  617.           (Cavalieri et al. 1992).
  618.  
  619.           This problem was addressed for sea ice concentrations
  620.           derived from the Nimbus 7 SMMR data through the
  621.           development of a weather filter (Gloersen and Cavalieri
  622.           1986). The filter is based on the polarization (PR18)
  623.           and spectral gradient ratio (GR37/18) distribution of
  624.           ice-free and ice-covered seas. If GR(37/18) is greater
  625.           than 0.07, then the sea ice concentration is set to
  626.           zero. While this eliminates most of the unwanted weather
  627.           effects, it also eliminates sea ice concentrations less
  628.           than about 12% in FY ice regions and 8% in MY ice
  629.           regions. Applying GR(37/19) filters to SSM/I-derived sea
  630.           ice concentration maps is less successful because the
  631.           closer proximity of the 19.35 GHz SSM/I channels to the
  632.           center of the 22.2 GHz atmospheric water-vapor line
  633.           makes the 19.35 GHz channels more sensitive to changes
  634.           in atmospheric water vapor, resulting in greater
  635.           contamination problems.
  636.  
  637.           A new composite weather filter has been developed
  638.           (Cavalieri et al. 1994) and implemented in the NASA Team
  639.           sea ice algorithm for routine processing of the SSM/I
  640.           data for generating sea ice concentration maps. The new
  641.           filter is a combination of the original SSM/I GR(37/19),
  642.           which effectively eliminates most of the spurious
  643.           concentration resulting from wind-roughening of the
  644.           ocean surface, cloud liquid water, and rainfall with
  645.           another GR filter based on the 22.2 GHz and 19.35 GHz
  646.           channels. The rationale for using GR(22/19) is based
  647.           partly on the sensitivity of the 22.2 GHz to water vapor
  648.           and partly on the need to minimize the effect of ice
  649.           temperature variations at the ice edge.
  650.  
  651.           This new weather filter works as follows: If GR(37/19)
  652.           is greater than 0.05 and/or GR(22/19) is greater than
  653.           0.045, the sea ice concentration is set to zero. These
  654.           GR thresholds effectively eliminate most of the weather
  655.           contamination, except for winds greater than about 30
  656.           m/s, cloud liquid water more than 24 cm, water vapor
  657.           greater than 0.2 cm, and rain rates greater than 12
  658.           mm/hour. Except for a few case studies completed during
  659.           the development of this filter, the extent to which it
  660.           eliminates ice-edge concentrations in different regions
  661.           of the Arctic and Antarctic for different seasons is
  662.           unknown. Work is currently underway to determine the
  663.           overall effectiveness of the new SSM/I weather filter.
  664.  
  665.           Algorithm Sensitivity
  666.  
  667.           The sensitivity of the algorithm to random errors has
  668.           been described previously (Swift and Cavalieri 1985) for
  669.           the SMMR version of the algorithm. The sensitivity
  670.           analysis was redone using the SSM/I algorithm
  671.           coefficients. The results are presented in Tables 2 and
  672.           3 for the Arctic and Antarctic sets of tie points. The
  673.           sensitivity coefficients given in Table.2 were
  674.           calculated for regions of first year (FY) ice and
  675.           multi-year (MY) ice in the Arctic at three different ice
  676.           concentrations. This was repeated for the Antarctic with
  677.           ice type regions labeled A and B. Each coefficient
  678.           represents the uncertainty in concentration in units of
  679.           percent per 1 K uncertainty in TB.
  680.  
  681.           These sensitivity coefficients given in Tables 2 and 3,
  682.           may be used to obtain an estimate of the error incurred
  683.           by variations in the radiometric properties of the ice
  684.           surface. For example, a random variation in ice
  685.           emissivity of 0.01 over 100% FY ice corresponds to a
  686.           variation in TB of 2.5 K (assuming a value of 250 K for
  687.           the physical temperature of the radiating portion of the
  688.           ice), which in turn corresponds to an error of 4.5%
  689.           (0.018 x 2.5) in total ice concentration, assuming all
  690.           three channels are subject to this variation.
  691.  
  692.            Table 2. NASA SSM/I Algorithm Sensitivity Coefficients
  693.            for First-year and Multiyear Ice Regions of the Arctic
  694.                          at Different Concentrations
  695.  
  696.                                First-year Ice
  697.                               [ firstyear ice]
  698.  
  699.                                 Multiyear Ice
  700.                               [ multiyear ice]
  701.  
  702.           *Each coefficient represents the uncertainty in
  703.           concentration in units of percent per 1-K uncertainty in
  704.           brightness temperature. The sensitivity of both the
  705.           total ice concentration(CT) and the multiyear ice
  706.           concentration (CMY) are given.
  707.  
  708.            Table 3.NASA SSM/I Algorithm Sensitivity Coefficients'
  709.            for Ice Type A and Ice Type B Regions of the Antarctic
  710.                          at Different Concentrations
  711.  
  712.                                   Ice Type A           Ice Type B
  713.  
  714.                              100%    50%   15%    100%    50%     15%
  715.                               dCT    dCT   dCT    dCT     dCT     dCT
  716.           dTB19H              1.2    0.9   0.9    1.2     0.8     0.6
  717.           dTB19V              0.3    0.1   0.5    0.3     0.1     0.4
  718.           dTB37V              0.8    0.8   0.9    0.8     0.8     0.8
  719.           Sqrt(Sum(dTB)2)     1.5    1.2   1.3    1.5     1.1     1.1
  720.  
  721.           *Each coefficient represents the uncertainty in the
  722.           total ice concentration(CT) in units of percent per 1-K
  723.           uncertainty in brightness temperature.
  724.  
  725.           The sensitivity of the calculated ice concentrations to
  726.           ice temperature variations is reduced through the use of
  727.           radiance ratios PR and GR (Cavalieri et al. 1984, Swift
  728.           and Cavalieri 1985). Except at the onset of melt, there
  729.           is no apparent correlation between PR and the increasing
  730.           TBs resulting from seasonal warming. This is not the
  731.           case for GR, which is correlated with the seasonal
  732.           variation in TB. An estimated error of 0.005 in GR
  733.           (Gloersen et al. 1992) corresponds to an uncertainty in
  734.           total ice concentration of about 1%, while the error in
  735.           MY ice concentration is about 9%. These estimated errors
  736.           are consistent with the results obtained from previously
  737.           published comparative studies (Cavalieri et al. 1991,
  738.           Steffen and Schweiger 1991).
  739.  
  740.      Processing Sequence and Algorithms
  741.  
  742.           The DMSP F8, F11 and F13 SSM/I data were obtained from
  743.           the National Snow and Ice Data Center (NSIDC) in
  744.           Boulder, Colorado. Data acquisition, filtering bad data,
  745.           handling geolocation errors, implementation of an
  746.           antenna pattern correction, and finally the swath to
  747.           grid conversion are all described in the NSIDC's User's
  748.           Guide (1995).
  749.  
  750.           The data grids are in the polar stereographic
  751.           projection.
  752.                          [Spatial Coverage Map    ]
  753.           The polar stereographic projection often assumes that
  754.           the plane (i.e., the grid) is tangent to the Earth at
  755.           the pole. Thus, there is a one-to-one mapping between
  756.           the Earth's surface and grid (i.e., no distortion) at
  757.           the pole. Distortion in the grid increases as the
  758.           latitude decreases because more of the Earth's surface
  759.           falls into any given grid cell, which can be quite
  760.           significant at the edge of the northern SSM/I grid where
  761.           distortion reaches 31%. For the South Pole, the SSM/I
  762.           grid has a maximum distortion of 22%. To minimize the
  763.           distortion, it has been decided that the projection will
  764.           be true at 70 degrees rather than the poles. This will
  765.           increase the distortion at the poles by three percent
  766.           and decrease the distortion at the grid boundaries by
  767.           the same amount. The latitude of 70 degrees was selected
  768.           so that little or no distortion would occur in the
  769.           marginal ice zone. Another result of this assumption is
  770.           that fewer grid cells will be required as the Earth's
  771.           surface will be more accurately represented. This will
  772.           save about 100 megabytes per year in storage.
  773.  
  774.           Calculation of Sea Ice Concentrations
  775.  
  776.           The NASA Nimbus-7 SMMR Team Algorithm (Cavalieri et al.
  777.           1984, Gloersen and Cavalieri 1986) with revised tie
  778.           points (Gloersen et al. 1992, p. 27) was used to
  779.           calculate ice concentrations from the SMMR @ SSMI
  780.           brightness temperatures. Derived ice concentration grids
  781.           were stored separately for the northbound and southbound
  782.           (ascending and descending) orbital nodes. This was done
  783.           in view of the rapid changes known to take place in the
  784.           polar ice covers, and because of the nonlinear nature of
  785.           the sea ice algorithm. To be consistent with the
  786.           daily-averaged brightness temperatures derived from the
  787.           SMMR instrument, the northbound and southbound
  788.           (ascending and descending) ice concentration data were
  789.           averaged to produce a daily-averaged ice concentration
  790.           map for each SMMR data day (the SMMR sensor operated on
  791.           alternate days to conserve power). Be cautioned that
  792.           producing ice concentrations from the daily-averaged
  793.           brightness temperatures may yield slightly different
  794.           results than the ice concentration maps presented in the
  795.           published atlas.
  796.  
  797.           Comparisons of sea ice concentrations calculated for
  798.           each of the sensors during overlap periods using
  799.           published algorithm tie-points reveal significant
  800.           differences. These differences may result from
  801.           differences in sensor and orbital characteristics,
  802.           differences in observation times (and therefore tidal
  803.           effects), and differences in algorithm coefficients.
  804.           Sensor and orbital characteristic differences for the
  805.           Nimbus 7 SMMR and DMSP SSM/I F8 include antenna beam
  806.           width, channel frequency, spacecraft altitude, ascending
  807.           node time, and angle of incidence. In addition, the sea
  808.           ice algorithm tie-points are significantly different.
  809.           The SSM/I F8 and F11 sensors also differ in ascending
  810.           node time, altitude, and angle of incidence. Because the
  811.           visit times of the three satellites occur during
  812.           different phases of the diurnal cycle, tidal effects may
  813.           result in differences in the ice distribution. It is
  814.           expected that any such effects would be mitigated by the
  815.           correction scheme described below. Table 1 summarizes
  816.           the sensor and orbital characteristic differences. These
  817.           differences are accommodated for each pair of sensors by
  818.           employing a self-consistent set of algorithm tie-points
  819.           determined through linear relationships between the
  820.           observed brightness temperatures during the overlap
  821.           periods.
  822.  
  823.           Daily brightness temperature maps from the Nimbus 7 SMMR
  824.           and from the DMSP SSM/I F8 during their period of
  825.           overlap, July 9 - August 20, 1987, were compared for
  826.           both the Arctic and Antarctic. Unfortunately, there were
  827.           only 22 days of common coverage. A linear least squares
  828.           best fit of the cumulative data was obtained for each of
  829.           the corresponding channels. For the purpose of
  830.           eliminating spurious brightness temperatures resulting
  831.           from residual land spillover effects, an Arctic land
  832.           mask expanded 3 to 4 pixels out from the original land
  833.           mask was used in the determination of the best fit
  834.           between the two data sets. The eliminated pixels
  835.           represent only a very small fraction of the total number
  836.           of ice concentration pixels, but eliminating them helps
  837.           considerably in reducing the outliers on the scatter
  838.           plots. These linear relationships were used to generate
  839.           a set of SSM/I tie-points that are consistent with the
  840.           original SMMR sea ice algorithm tie-points (Gloersen et
  841.           al., 1992). The published SSM/I F8 tie-points (Cavalieri
  842.           et al., 1992) were not used. In addition to using these
  843.           transformations, the SSM/I F8 open water tie-points were
  844.           subjectively tuned to help minimize the differences
  845.           between the SMMR and SSM/I F8 sea ice extent and area
  846.           during the overlap period. In all cases except for the
  847.           Antarctic F8 values, the tuned amount is within one
  848.           standard error of estimate. It is suspected that the
  849.           reason for the larger tuned values results from greater
  850.           weather effects during the overlap period.
  851.  
  852.           The period of overlap for F8 and F11 is even shorter
  853.           than that for Nimbus 7 and SSM/I F8, with only 16 days
  854.           of overlap of good data, from December 3-18, 1991. The
  855.           linear regression was performed for each of the
  856.           corresponding channels. The SSM/I F11 open water
  857.           tie-points were also tuned to help reduce differences in
  858.           ice extent and area as was done with the SSM/I F8
  859.           values. A further adjustment to the Antarctic 37V ice
  860.           type-B F11 tie-point was also made to reduce the ice
  861.           area difference. In this case, the amount of tuning
  862.           needed to reduce the ice extent and area differences
  863.           between the F8 and F11 values is well within one
  864.           standard error of estimate.
  865.  
  866.           Land-to-Ocean Spillover Correction
  867.  
  868.           The next step in preparing the data sets was the
  869.           correction for land-to-ocean spillover (often referred
  870.           to as "land contamination") and residual weather-related
  871.           effects. Land-to- ocean spillover refers to the problem
  872.           of blurring sharp contrasts in brightness temperature,
  873.           such as exist between land and ocean, by the relatively
  874.           coarse width of the sensor antenna pattern (Figure 1a).
  875.           This problem is of concern here because it results in
  876.           false sea ice signals along coastlines. (Land and ice
  877.           both have much higher brightness temperatures than
  878.           ocean.) The method used to reduce the spillover is an
  879.           extension of the method employed for the single-channel
  880.           Nimbus 5 Electrically Scanning Microwave Radiometer
  881.           (ESMR) data in Parkinson et al. (1987). The rationale
  882.           behind the approach is that a minimum observed
  883.           (generally in late summer) sea ice concentration in the
  884.           vicinity of coastlines where no ice remains offshore is
  885.           probably the result of land spillover and is thus
  886.           subtracted from the image. To reduce the error of
  887.           subtracting ice in areas of ice cover, the technique
  888.           searches for and requires the presence of open water in
  889.           the vicinity of the image pixel to be corrected.
  890.  
  891.           Land-to-ocean spillover was reduced by the following
  892.           three-step procedure:
  893.  
  894.           (1) A matrix M was created covering the entire grid and
  895.           identifying each pixel as land, shore, near-shore,
  896.           off-shore, or non-coastal ocean. This matrix M is
  897.           created once and then used throughout the data set.
  898.  
  899.           (2) A matrix CMIN, to represent minimum ice
  900.           concentrations on a pixel-by-pixel basis throughout the
  901.           entire grid, was created for each instrument type. CMIN
  902.           was created by first constructing a matrix P containing
  903.           the minimum monthly average ice concentrations
  904.           throughout a given year, then adjusting that matrix at
  905.           off-shore, near-shore, and shore pixels. The CMIN matrix
  906.           was created once for SMMR and once for SSM/I, then used
  907.           throughout the data sets.
  908.  
  909.           (3) The daily ice-concentration matrices for all three
  910.           data sets were adjusted at any off-shore, near-shore,
  911.           and shore pixels in the vicinity of open water. At any
  912.           time when the neighborhood of an off-shore, near-shore,
  913.           or shore pixel contains three or more open-water pixels
  914.           (i.e., ice concentration less than 15%), then the
  915.           calculated ice concentration at the off-shore,
  916.           near-shore, or shore pixel is reduced by the value for
  917.           that pixel in the matrix CMIN. Wherever the subtraction
  918.           leads to negative ice concentrations, the concentrations
  919.           are set to 0%. This land-spillover -correction algorithm
  920.           is clearly a rough approximation, as the contaminated
  921.           amount does not stay constant over time; but the scheme
  922.           has been found to reduce substantially the spurious ice
  923.           concentrations on the grids.
  924.  
  925.           WeatherRelated Corrections
  926.  
  927.           A correction for residual weather effects was made based
  928.           on monthly climatological sea surface temperatures
  929.           (SSTs) from the NOAA Ocean Atlas (Levitus and Boyer,
  930.           1994). These data, originally on a 2 by 2 degree grid,
  931.           were remapped onto the SSM/I grid. Because the SST data
  932.           did not extend to the SSM/I coastline, the data were
  933.           extrapolated to the coastline once regridded onto the
  934.           SSM/I grid. The SST maps were used as follows: In the
  935.           Northern Hemisphere, in any pixel where the monthly SST
  936.           is greater than 278 K, the ice concentration is set to
  937.           zero throughout the month; in the Southern Hemisphere,
  938.           wherever the monthly SST is greater than 275 K, the ice
  939.           concentration is set to zero throughout the month. The
  940.           higher threshold SST value was needed in the Northern
  941.           Hemisphere because the 275 K isotherm used in the South
  942.           was too close to the ice edge in the North. In a few
  943.           instances, corrections to the regridded SST data were
  944.           needed, because otherwise we were losing actual sea ice.
  945.  
  946.           Filling Data Gaps
  947.  
  948.           In each of the data sets, there are instances of missing
  949.           data. In some cases whole days (or weeks or months) are
  950.           missing. In other cases, large swaths or wedges of
  951.           missing data exist within an image, along with scattered
  952.           pixels of missing data throughout the grid. The
  953.           scattered pixels of missing data, resulting generally
  954.           from mapping the orbital radiance data to the SSM/I
  955.           grid, were filled by applying a spatial linear
  956.           interpolation scheme on the brightness temperature maps.
  957.           The larger areas of missing data, resulting from gaps
  958.           between orbital swaths (generally at low latitudes on
  959.           daily maps) or from partial coverage or missing days,
  960.           were filled by temporal interpolation on the ice
  961.           concentration maps. No data at all were available for
  962.           the period from December 2, 1987 through January 12,
  963.           1988. This gap was not filled by temporal linear
  964.           interpolation, instead being left as missing data. Table
  965.           4 lists the SSM/I dates containing bad data, which were
  966.           subsequently corrected through interpolation.
  967.  
  968.           Table 4. SSM/I  Days Containing Bad Orbits or Bad Scans
  969.  
  970.  
  971.           102/1992        103/1992        351/1992        323/1993       330/1993
  972.           331/1993        334/1993        346/1993        352/1993       357/1993
  973.           007/1994        009/1994        011/1994        012/1994       014/1994
  974.           017/1994        019/1994        022/1994        023/1994       025/1994
  975.           028/1994        031/1994        042/1994        167/1994       182/1994
  976.           350/1994        358/1994        003/1995        039/1995       059/1995
  977.           077/1995        081/1995        082/1995        086/1995       097/1995
  978.           105/1995        231/1995        232/1995
  979.  
  980.           There are usually at least 14 days of coverage per
  981.           month, although major data gaps occur in August: in
  982.           August, 1982, the 4th, 8th, and 16th are missing for
  983.           both polar regions; in August, 1984, the 13th through
  984.           the 23rd are missing for both polar regions.
  985.  
  986.           Resampling of data from Polar Stereo projection grid to
  987.           1x1 degree equal angle grid
  988.  
  989.           The original data are provided on a rectangular grid
  990.           placed over a polar stereographic projection, with the
  991.           projection plane cutting the globe at a latitude of 70
  992.           degrees. On the north polar grid 31 degrees N is the
  993.           lowest latitude. The north polar grid size is 304 x 448
  994.           grid cells. The pole is located at x,y = 154, 234,
  995.           (referenced to x,y = 0,0 at the upper left corner), the
  996.           common corner of four adjacent pixels. In the southern
  997.           hemisphere, the projection is the same as the Northern
  998.           Hemisphere, with a grid size of 316 x 332, and the pole
  999.           located at x,y = 158, 174. The grid cells are 25 x 25 km
  1000.           polar stereographic projection.
  1001.  
  1002.           For inclusion in the Interdisciplinary data collection
  1003.           the data are resampled onto a 1x1 degreee qual angle
  1004.           grid(array dimension 360x180). For both North and South
  1005.           hemisphere regions the locations of the grid centers are
  1006.           transformed into geodetic latitude and longitude using
  1007.           the Program Locate available in Fortran language
  1008.           (NSIDC,95). North and South polar region data files are
  1009.           merged in one file, data is binned onto 1x1 degree
  1010.           grids,and finally the data is reoriented such that first
  1011.           data points represents (89.5N,179.5W) In this process,
  1012.           the masking of the original data is maintained. However
  1013.           the coastal mask value '-10000' was assigned the land
  1014.           mask '-9999'. The data from pole to 85 degree North is
  1015.           assigned a fill value of -999.9. The scattered gaps
  1016.           created in Arctic and Antarctic polar region due to grid
  1017.           transformation are filled by spatial interpolation using
  1018.           neighbouring points. If in a grid, fraction of sea
  1019.           exceeded the land, averaged sea ice value was assigned.
  1020.           The ocean near equator is assigned a value '-1' for the
  1021.           fill value since no data was reported to differentiate
  1022.           with the value '0' used by the data producer for the
  1023.           polar sea regions which were investigated and no ice was
  1024.           found.
  1025.  
  1026.           The regridded data were visually examined to ensure
  1027.           consistency with the original data.
  1028.  
  1029.      Scientific Potential of Data
  1030.  
  1031.           Passive microwave observations of polar oceans have
  1032.           become essential to the tracking of ice edges, for
  1033.           estimating sea ice concentrations, and for classifying
  1034.           sea ice types. Global data, immediately practical for
  1035.           use in shipping and petroleum development activities,
  1036.           have broader implications from the standpoint of adding
  1037.           to the meteorological foundations used in understanding
  1038.           and modeling climate change.
  1039.  
  1040.           Sea ice has many roles in the global climate system. For
  1041.           one, it serves as an effective insulator between the
  1042.           ocean and the atmosphere, restricting exchanges of heat,
  1043.           mass momentum, and chemical constituents.
  1044.  
  1045.           Brightness temperatures are used to derive sea ice
  1046.           concentrations. Among the many possible applications for
  1047.           sea ice concentrations, researchers use them to map ice
  1048.           extent, actual ice area, and the amount of open water
  1049.           within ice packs. The latter is used to monitor
  1050.           occurrences, impact and persistence of polynyas, in the
  1051.           calculation of heat and salinity fluxes between ocean
  1052.           and the atmosphere in the polar regions.
  1053.  
  1054.           Another important role is how it effects surface albedo.
  1055.           The list below gives the albedo for varying sea
  1056.           conditions:
  1057.  
  1058.                Ice-free ocean 10% - 15% (Lamb, 1982)
  1059.                Sea ice 80% (Grenfell, 1983)
  1060.                Fresh snow cover on ice 98% (Vowinkel and Orvig,
  1061.                1970)
  1062.                Melt ponds on ice 20% - 60% (Grenfell and Maykut,
  1063.                1977)
  1064.  
  1065.           Sea also has a direct affect on oceanic circulations by
  1066.           the rejection of salt to the underlying ocean during ice
  1067.           growth. The result of this is an increase in the density
  1068.           of the water directly under the ice, which produce
  1069.           convections that tend to deepen the mixed layer. The
  1070.           convection contributes to driving the thermohaline
  1071.           circulation of the ocean (Bryon et al., 1975).
  1072.  
  1073.           It has been used in producing ice edge product
  1074.           (NSIDC,95) that could be integrated into a sea surface
  1075.           temperature (SST) algorithm being developed as part of
  1076.           the NOAA-NASA AVHRR Pathfinder (Oceans Group)
  1077.           activities. The ice edge product would be used as a
  1078.           filter, to mask known areas of sea ice from the AVHRR
  1079.           SST retrieval algorithm and minimize any possible
  1080.           contamination of an SST product by the presence of ice.
  1081.  
  1082.           While a review of NSIDC-archived data sets determined
  1083.           that no satisfactory digital sea ice product existed
  1084.           that met those requirements, it was apparent that a
  1085.           monthly averaged sea ice concentration product could be
  1086.           generated from DMSP- F8 SSM/I daily sea ice
  1087.           concentration grids. Monthly averaged sea ice
  1088.           concentration grids would provide the necessary ice
  1089.           extent information and could additionally be useful for
  1090.           model comparisons and inputs.
  1091.  
  1092.      Validation of Data
  1093.  
  1094.           Errors in the derived sea ice concentrations arise from
  1095.           several sources. Sources of sea ice concentration error
  1096.           in decreasing order of importance are:
  1097.  
  1098.              * inability of the algorithm to discriminate among
  1099.                more than two radiometrically different sea ice
  1100.                types,
  1101.              * seasonal variations in sea ice emissivities,
  1102.              * nonseasonal variations in sea ice emissivities,
  1103.              * weather effects at ice concentrations greater than
  1104.                8%-12%, and
  1105.              * random and systematic instrument error.
  1106.  
  1107.           The largest source of error is the inability of the
  1108.           algorithm to discriminate among more than two
  1109.           radiometrically different sea ice types (including
  1110.           different surface conditions). The broad categories of
  1111.           radiometrically different sea ice types are new and
  1112.           young ice, FY ice, and MY ice types. Since the algorithm
  1113.           allows for both FY and MY ice types, the largest source
  1114.           of error in total ice concentration is caused by the
  1115.           presence of newly forming sea ice. New and young ice,
  1116.           most commonly found in leads and coastal polynyas during
  1117.           winter, are characterized by polarization differences
  1118.           intermediate between open water and thick FY ice
  1119.           (Cavalieri et al. 1986). PR for thin ice will vary in
  1120.           proportion to ice thickness (Grenfell and Comiso 1986)
  1121.           and will increase in proportion to the fraction of new
  1122.           ice filling the SSM/I field of view. For example, if it
  1123.           is assumed that an FOV contains 10% new ice (PR = 0.14)
  1124.           and 90% FY ice (PR = 0.03), then the increase in PR
  1125.           results in an underestimate of about 10% in total ice
  1126.           concentration. Larger areas of new ice within the sensor
  1127.           FOV will result in proportionally larger underestimates
  1128.           by the algorithm. Recently, a new thin ice algorithm has
  1129.           been developed (Cavalieri et al. 1994) which mitigates
  1130.           this problem in seasonal sea ice zones and also permits
  1131.           the mapping of new and young ice types.
  1132.  
  1133.           Seasonal variations in sea ice emissivities can be
  1134.           extremely large. MY ice, for example, loses its
  1135.           characteristic microwave spectral signature (negative
  1136.           GR) during spring and summer and becomes
  1137.           indistinguishable from FY ice. Another condition
  1138.           resulting in large errors in total ice concentration is
  1139.           the formation of melt ponds on the ice surface, making
  1140.           the ponded region indistinguishable from open water.
  1141.           While the areal extent of ponding is not well known,
  1142.           unpublished data reported by Carsey (1982) show that for
  1143.           the summer of 1975, 20% or less of the Arctic ice pack
  1144.           was covered by ponds and that ponding reached maximum
  1145.           areal extent in early July. For an area of the Beaufort
  1146.           Sea (AIDJEX triangle) during August 1975, Campbell et
  1147.           at. (1984) report that the average ponding was 30%. The
  1148.           percent coverage of melt ponds varies spatially and
  1149.           temporally across the Arctic and the extent to which
  1150.           they influence summer ice concentrations remains
  1151.           uncertain.
  1152.  
  1153.           Nonseasonal variations in sea ice emissivity include
  1154.           local variations, resulting from fluctuations in the
  1155.           physical and chemical properties of sea ice, and
  1156.           regional variations resulting from environmental
  1157.           differences. Regional and hemispheric variability may be
  1158.           considerable, as indicated by previous studies (Comiso
  1159.           1983, Ackley 1979). Differences between Arctic and
  1160.           Antarctic sea ice microwave signatures noted above
  1161.           result in different sets of algorithm tie-points for
  1162.           each hemisphere. Algorithm errors can be reduced by
  1163.           using locally and seasonally chosen algorithm tie
  1164.           points.
  1165.  
  1166.           While weather effects resulting from atmospheric water
  1167.           vapor, cloud liquid water, rain, and sea surface
  1168.           roughening by near-surface winds on the calculated sea
  1169.           ice concentrations are greatly reduced over open ocean
  1170.           at polar latitudes by the algorithm weather filter
  1171.           described previously, they may nevertheless contribute
  1172.           to the sea ice concentration error at concentrations
  1173.           greater than about 15%. Presuming that the atmospheric
  1174.           contribution is nearly zero over consolidated FY ice and
  1175.           that the contribution at the open water end results
  1176.           totally from atmospheric effects estimated to be up to
  1177.           15%, then the error resulting from atmospheric effects
  1178.           for any intermediate concentration may be estimated by a
  1179.           linear interpolation. While the effects of weather on
  1180.           high total ice concentrations are small, there is the
  1181.           potential for significant reductions in multiyear ice
  1182.           concentrations (Maslanik 1992).
  1183.  
  1184.           Finally, errors in ice concentration also result from
  1185.           random and systematic instrument errors. Except for the
  1186.           85-GHz channels, over the two years of SSM/I operation,
  1187.           no instrument drifts are apparent. Based on prelaunch
  1188.           measurements and on observed radiances over relatively
  1189.           stable targets where temporal and spatial geophysical
  1190.           variability is small, the error for each of the three
  1191.           SSM/I channels used in the algorithm is less than 1 K,
  1192.           and the absolute accuracy is estimated at 3 K (Hollinger
  1193.           1989). Assuming a 1-K level of random instrument noise
  1194.           in each channel, an upper limit to the rss uncertainty
  1195.           in the calculated concentrations, which depends on
  1196.           surface type and concentration, ranges from about 1% to
  1197.           1.8% for total ice concentration and from 4.5% to 6% for
  1198.           MY ice concentration.
  1199.  
  1200.           Comparisons of aircraft SAR and ESMR mesoscale ice
  1201.           concentration maps with concurrent SMMR maps have given
  1202.           agreements to within 10%-20% (Campbell et al., 1987).
  1203.           Comparison of data from the Airborne Multichannel
  1204.           Microwave Radiometer (AMMR) transects within SMMR
  1205.           footprints with SMMR data has yielded agreements within
  1206.           10% for both total Sea ice and multiyear sea ice
  1207.           (Gloersen and Campbell, 1988).
  1208.  
  1209. Contacts
  1210.  
  1211.      Points of Contact
  1212.      For information about or assistance in using any DAAC data,
  1213.      contact
  1214.  
  1215.           EOS Distributed Active Archive Center(DAAC)
  1216.           Code 902
  1217.           NASA Goddard Space Flight Center
  1218.           Greenbelt, Maryland 20771
  1219.  
  1220.           Internet: daacuso@daac.gsfc.nasa.gov
  1221.           301-614-5224 (voice)
  1222.           301-614-5268 (fax)
  1223.  
  1224.      To order the original Sea Ice Concentration data set, please
  1225.      contact NSIDC DAAC:
  1226.  
  1227.           National Snow and Ice Data Center
  1228.           Campus Box 449
  1229.           University of Colorado
  1230.           Boulder, CO 80309-0449
  1231.  
  1232.           303-492-6199 (voice)
  1233.           303-492-2468 (fax)
  1234.  
  1235.      For algorithm questions related to original data,please contact
  1236.      the data producer:
  1237.  
  1238.           Dr. Donald J. Cavalieri
  1239.           Laboratory for Hydrospheric Processes
  1240.           Ocean and Ice Dynamics Branch, Code 971
  1241.           NASA Goddard Space Flight Center
  1242.           Greenbelt, Maryland 20771
  1243.  
  1244.           Internet: don@cavalieri.gsfc.nasa.gov
  1245.           301-286-2444 (voice)
  1246.           301-286-0240 (fax)
  1247.  
  1248. References
  1249.  
  1250.      Abdalati, W., K. Steffen, C. Otto, and K. C. Jezek .1995.
  1251.      Comparison of brightness temperatures from SSMI instruments on the
  1252.      DMSP F8 and F11 satellites for Antarctica and the Greenland Ice
  1253.      Sheet. International Journal of Remote Sensing, 16(7):1223-1229.
  1254.  
  1255.      Ackley, S. F. 1979. Mass balance aspects of Weddell Sea pack ice.
  1256.      J. Glaciol. 24(90):391-406.
  1257.  
  1258.      Ackley, S. F., A. J. Gow, K. R. Buck, and K. M. Golden. 1980. Sea
  1259.      ice studies in the Weddell Sea aboard USCGC Polar Sea. Antarctic
  1260.      J. of U. S. 15(5):84-86.
  1261.  
  1262.      Bryon, K., S. Manabe, and R.C. Pacanowski. 1975. A global
  1263.      ocean-atmosphere climate, model. Part II. The ocean circulation,
  1264.      J. Phys. Oceanography. 5:30-46.
  1265.  
  1266.      Campbell, W.J., P. Gloersen, E.G. Josberger, O.M. Johannessen,
  1267.      P.S. Guest, N. Mognard, R. Shuchman, B.A. Burns, N. Lannelongue,
  1268.      and K.L. Davidson. 1987. Variations of mesoscale and large-scale
  1269.      sea ice morphology in the 1984 Marginal Ice Zone Experiment as
  1270.      observed by microwave remote sensing, J. Geophys. Res.
  1271.      92:6805-6824.
  1272.  
  1273.      Campbell, W.J., Gloersen, W. Norderg, and T.T. Wilheit. 1974.
  1274.      Dynamics and morphology of Beaufort Sea ice determined from,
  1275.      aircraft, and drifting stations, in Proceedings of the Symposium
  1276.      on Approaches to Earth Survey Problems Through Use of Space
  1277.      Techniques. Akademie-Verlag, Berlin, pp. 311-327.
  1278.  
  1279.      Campbell, W. J., P. Gloersen, and H. J. Zwally. 1984. Aspects of
  1280.      Arctic sea ice observable by sequential passive-microwave
  1281.      observations from the Nimbus 5 satellite. In Arctic technology and
  1282.      policy. I. Dyer and C. Chryssostomidis, eds. New York: Hemisphere
  1283.      Publishing. p.197-222.
  1284.  
  1285.      Carsey, F. D. 1982. Arctic sea ice distribution at end of summer
  1286.      1973-1976 from satellite microwave data. J. Geophys. Res.
  1287.      87:5809-5835.
  1288.  
  1289.      Cavalieri, D. J., C. L. Parkinson, P. Gloersen, and H. J. Zwally,
  1290.      1997: Arctic and Antarctic Sea Ice Concentrations from
  1291.      Multichannel Passive-Microwave Satellite Data Sets: October
  1292.      1978-September 1995. User's Guide. NASA TM 104647, Goddard Space
  1293.      Flight Center, Greenbelt, MD 20771, pp17
  1294.  
  1295.      Cavalieri, D. J., K. M. St. Germain, and C. T. Swift. 1994.
  1296.      Reduction of weather effects in the calculation of sea ice
  1297.      concentration with the DMSP SSM/I. J. of Glaciology,
  1298.      41(139):455-464.
  1299.  
  1300.      Cavalieri, D. J., J. Crawford, M. Drinkwater, W. J. Emery, D. T.
  1301.      Eppler, L. D. Farmer, M. Goodberlet, R. Jentz, A. Milman, C.
  1302.      Morris, R. Onstott, A. Schweiger, R. Shuchman, K. Steffen, C. T.
  1303.      Swift, C. Wackerman and R. L. Weaver. 1992,NASA Sea Ice Validation
  1304.      Program for the DMSP SSM/I: Final Report, NASA Technical
  1305.      Memorandum 104559, National Aeronautics and Space Administration,
  1306.      Washington, D. C., pp. 126.
  1307.  
  1308.      Cavalieri, D. J., J. Crawford, M. R. Drinkwater, D. Eppler, L. D.
  1309.      Farmer, R. R. Jentz and C. C. Wackerman. 1991. Aircraft active and
  1310.      passive microwave validation of sea ice concentration from the
  1311.      DMSP SSM/I. J. Geophys. Res. 96(C12):21,989-22,009.
  1312.  
  1313.      Cavalieri, D.J., P. Gloersen, and T.T. Wilheit. 1986. Aircraft and
  1314.      satellite passive-microwave observations of the Bering Sea ice
  1315.      cover during MIZEX West, IEEE Trans. Geoscience and Remote
  1316.      Sensing. GE-24:368-377.
  1317.  
  1318.      Cavalieri, D.J., P. Gloersen, and W.J. Campbell. 1984.
  1319.      Determination of sea ice parameters with the Nimbus 7 SMMR, J.
  1320.      Geophys. Res. 89:5355-5369.
  1321.  
  1322.      Comiso, J.C. 1983. Sea ice effective microwave emissivities from
  1323.      satellite passive microwave and infrared observations. J. Geophys.
  1324.      Res. 88(C12):7686-7704.
  1325.  
  1326.      Comiso, J.C., T.C. Grenfell, D.L. Bell, M.A. Lange, and S.F.
  1327.      Ackley. 1989. Passive-microwave observations of winter Weddell sea
  1328.      ice, J. Geophys. Res. 94:10891-1-905.
  1329.  
  1330.      Gloersen, P., W. J. Campbell, D. J. Cavalieri, J. C. Comiso, C. L.
  1331.      Parkinson and H. J. Zwally. 1992. Arctic and Antarctic sea ice,
  1332.      1978-1987: Satellite Passive Microwave Observations. NASA SP-511.
  1333.  
  1334.      Gloersen, P., and W.J. Campbell. 1988. Satellite and aircraft
  1335.      passive-microwave observations during the Marginal Ice Zone
  1336.      Experiment in 1984, J. Geophys. Res. 93:6837-6846.
  1337.  
  1338.      Gloersen, P. and D. J. Cavalieri. 1986. Reduction of weather
  1339.      effects in the calculation of sea ice concentration from microwave
  1340.      radiances. Journal of Geophysical Research. 91(C3):3913-3919.
  1341.  
  1342.      Gloersen, P., D.J. Cavalieri, A.T.C. Chang, T.T. Wilheit, W.J.
  1343.      Campbell, O.M. Johannessen, K.B. Katsaros, K.F. Kunzi, D.B. Ross,
  1344.      D. Staelin, E.P.L. Windsor, F.T. Barath, P. Gudmandsen, E.
  1345.      Langham, and R.O. Ramseier. 1984. A summary of results from the
  1346.      first Nimbus 7 SMMR observations, J. Geophys. Res. 89:5335-5344.
  1347.  
  1348.      Gloersen, P. and Barath, F. T.,1977. A Scanning Multichannel
  1349.      Microwave Radiometer for Nimbus-G and SeaSat-A, IEEE Journal of
  1350.      Oceanic Engineering, OE-2, 172-178.
  1351.  
  1352.      Gloersen, P., R.O. Ramseier, W.J. Campbell, T.C. Chang, and T.T
  1353.      Wilheit. 1975. Variations of ice morphology of selected mesoscale
  1354.      test areas during the Bering Sea Experiment, in Proceedings of the
  1355.      Final Symposium on the Results of the Joint Soviet-American
  1356.      Expedition, K.Ya. Kondratyev, Yu.I. Rabinovich, and W. Nordberg,
  1357.      eds., Gidrometeoizdat, Leningrad, pp. 196-218. (Republished as
  1358.      USSR/USA Bering Sea Experiment by A.A. Balkema, Rotterdam, 307
  1359.      pp,. 1982.)
  1360.  
  1361.      Gloersen, P., W. Nordberg, T.J. Schmugge, T.T. Wilheit, and W.J.
  1362.      Campbell. 1973. Microwave signatures of first-year and multiyear
  1363.      sea ice, J. Geophys. Res. 78:3564-3572.
  1364.  
  1365.      Grenfell, T.C., and J.C. Comiso. 1986. Multifrequency
  1366.      passive-microwave observations of first-year sea ice grown in a
  1367.      tank, IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. GE-24:862-831.
  1368.  
  1369.      Grenfell, T.C. 1983. A theoretical model of the optical properties
  1370.      of sea ice in the visible and near infrared, J. Geophys. Res.
  1371.      88:9723-9735.
  1372.  
  1373.      Grenfell, T.C., and G.A. Maykut. 1977. The optical properties of
  1374.      ice and snow in the Arctic Basin, J. Glaciol. 18:445-463.
  1375.  
  1376.      Hollinger, J. P. 1989. DMSP Special Sensor Microwave/Imager
  1377.      Calibration/Validation. Final Report, Volume I, Space Sensing
  1378.      Branch , Naval Research Labs. Washington, D.C. 20375-5000
  1379.  
  1380.      Lamb, H.H. 1982. The climate environment of the Arctic Ocean, in
  1381.      The Arctic Ocean, L. Rey, ed., John Wiley & Sons, New York,
  1382.      135-161.
  1383.  
  1384.      Martino, M., D. J. Cavalieri, P. Gloersen, and H. J. Zwally.1995.
  1385.      An Improved Land Mask for the SSM/I Grid, NASA Technical
  1386.      Memorandum 104625, pp.9.
  1387.  
  1388.      Levitus, S. and Boyer, T. P. 1994. World Ocean Atlas 1994, Volume
  1389.      4: Temperature, NOAA National Oceanographic Data Center, Ocean
  1390.      Climate Laboratory, U.S. Department of Commerce, Washington, D.C.
  1391.  
  1392.      Maslanik, J. A. 1992. Effects of weather on the retrieval of sea
  1393.      ice concentration and ice type from passive microwave data. Int.
  1394.      J. Remote Sensing. 13(1):37-54.
  1395.  
  1396.      NSIDC (National Snow and Ice Data Center). 1995. DMSP SSM/I
  1397.      Brightness Temperature and Ice Concentrations Grids for the Polar
  1398.      Regions. User's Guide. Revised Edition. NSIDC Distributed Active
  1399.      Archive Center, University of Colorado, Boulder.
  1400.  
  1401.      Parkinson, C. L., J. Comiso, H. J. Zwally, D. J. Cavalieri, P.
  1402.      Gloersen, W. J. Campbell,1987. Arctic Sea Ice, 1973-1976:
  1403.      Satellite Passive Microwave Observations, National Aeronautics and
  1404.      Space Administration, Special Publication 489, Washington, D.C.,
  1405.      296 pp.
  1406.  
  1407.      Ramseier, R.O., W.J. Campbell, W.F. Weeks, L. Drapier-Arsenault,
  1408.      and K.L. Wilson. 1975. Ice dynamics in the Canadian Archipelago
  1409.      and adjacent Arctic Basin as determined by ERTS-1 observations, in
  1410.      Canada's Continental Margins and Offshore Exploration, Canadian
  1411.      Society of Petroleum Geologists, Calgary, Alberta, pp. 853-877.
  1412.  
  1413.      Steffen, K. and A. Schwieger. 1991. NASA Team algorithm for sea
  1414.      ice concentration retrieval from Defense Meteorological Satellite
  1415.      Program Special Sensor Microwave/Imager: Comparison with Landsat
  1416.      satellite imagery. J. Geophys. Res. 96(C12):21,971-21,988.
  1417.  
  1418.      Swift, C. T., D. J. Cavalieri. 1985. Passive microwave remote
  1419.      sensing for sea ice research. EOS. 66(49):1210-1212.
  1420.  
  1421.      Vowinkel, E., and S. Orvig. 1970. The climate in the north polar
  1422.      basin, in Climate of the Polar Regions, Vol. 14, World Survey of
  1423.      Climatology, Elsevier, Amsterdam, pp. 129-252.
  1424.  
  1425.      Wadhams, P., M. A. Lange, and S. F. Ackley. 1987. The ice
  1426.      thickness distribution across the Atlantic sector of the Antarctic
  1427.      ocean in midwinter. J. Geophys. Res. 92(C13):14,535-14, 552.
  1428.  
  1429.      Wilheit, T.T., W. Nordberg, J. Blinn, W. Campbell, and A.
  1430.      Edgerton. 1972. Aircraft measurements of microwave emission from
  1431.      Arctic sea ice, Remote Sensing of Environment 2:129-139.
  1432.  
  1433.   ------------------------------------------------------------------------
  1434.  
  1435.                  [NASA] [GSFC]  [Goddard DAAC] [cidc site]
  1436.  
  1437.                   NASA  Goddard      GDAAC        CIDC
  1438.  
  1439. Last update:Tue Dec 2 17:41:14 EST 1997
  1440. Page Author: Dr. Suraiya Ahmad-- ahmad@daac.gsfc.nasa.gov
  1441. Web Curator: Dr. Daniel Ziskin -- ziskin@daac.gsfc.nasa.gov
  1442. NASA official: Dr. Paul Chan, DAAC Manager -- chan@daac.gsfc.nasa.gov
  1443.