home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NASA Climatology Interdisciplinary Data Collection / NASA Climatology Interdisciplinary Data Collection - Disc 2.iso / readmes / readme.smmr_snow < prev    next >
Text File  |  1998-03-04  |  46KB  |  942 lines

  1.                               [CIDC FTP Data]
  2.                      [SMMR Snow Depth IDC Data on FTP]
  3.  
  4. Data Access
  5.  
  6.      SMMR Snow Depth
  7.  
  8.                                    [rule]
  9.  
  10. Readme Contents
  11.  
  12.      Data Set Overview
  13.           Sponsor
  14.           Original Archive
  15.           Future Updates
  16.  
  17.      The Data
  18.           Characteristics
  19.           Source
  20.  
  21.      The Files
  22.           Format
  23.           Name and Directory Information
  24.           Companion Software
  25.  
  26.      The Science
  27.           Theoretical Basis of Data
  28.           Processing Sequence and Algorithms
  29.           Scientific Potential of Data
  30.           Validation of Data
  31.  
  32.      Contacts
  33.           Points of Contact
  34.  
  35.      References
  36.  
  37.                                    [rule]
  38.  
  39. Data Set Overview
  40.  
  41.      The data set consists of one degree by one degree gridded global
  42.      monthly averaged snow depths derived from the Nimbus-7 Scanning
  43.      Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) half degree by half
  44.      degree gridded snow depth data.
  45.  
  46.      The SMMR sensor was placed in an alternate-day operating pattern
  47.      on 19 November 1978 due to spacecraft power limitations, providing
  48.      complete global coverage every six days. Regions poleward of 72
  49.      degrees have complete coverage for each day the sensor was
  50.      recording data. The SMMR data spans over the period from 1978
  51.      through 1987.
  52.  
  53.      The algorithm used to retrieve snow depth on a global scale using
  54.      the remotely sensed microwave signals has been developed by a
  55.      group of NASA scientists (Chang et al., 1976,1982,1987,1990, 1992;
  56.      Foster et al., 1984; Hall et al., 1982). Data are placed into 1/2
  57.      degree latitude by 1/2 degree longitude grid cells. SMMR data were
  58.      interpolated for spatial and temporal gaps. Overlapping data in a
  59.      cell from separate orbits within the same six-day period are
  60.      averaged to give a single brightness temperature, assumed to be at
  61.      the center of the cell. Maps are based on six-day average
  62.      brightness temperature data from the middle week of each month.
  63.      Oceans and bays are masked so that only microwave data for land
  64.      areas are distinct.
  65.  
  66.      Comparisons of SMMR snow maps with previous maps produced by
  67.      NOAA/NESDIS and US Air Force Global Weather Center indicate that
  68.      the total snow derived from SMMR is usually about ten percent less
  69.      than that measured by the earlier products, because passive
  70.      microwave sensors often can't detect shallow dry snow less than
  71.      about 5 cm deep. SMMR snow depth results are especially good for
  72.      uniform snow covered areas such as the Canadian high plains and
  73.      Russian steppes. Heavily forested and mountainous areas tend to
  74.      mask the microwave snow signatures, and SMMR snow depth
  75.      derivations are poorer in those areas.
  76.  
  77.      This snow depth data set supports climate modeling, snow melt
  78.      run-off, and other geophysical studies(Hall 1988, Hall and
  79.      Martinec, 1985; Schmugge 1980a&b). In the Northern Hemisphere, the
  80.      mean monthly snow cover ranges from about 7 percent to over 40
  81.      percent of the land area, thus making snow the most rapidly
  82.      varying natural surface feature. The mean monthly snow storage
  83.      (excluding Greenland) ranges from about 1.5 x 1016 g in summer to
  84.      about 300 x 1016 g in winter. Snow cover is a sensitive indicator
  85.      of climate change, with the position of the southern boundary of
  86.      snow cover in the Northern Hemisphere of particular significance
  87.      as it is likely to retreat northward because of sustained climate
  88.      warming (Barry, 1984; Foster 1989).
  89.  
  90.      General Circulation Models (GCMs) also suggest that the amount of
  91.      snowfall by latitude may change because of changes in atmospheric
  92.      moisture flux with a decrease in the frequency and occurrence of
  93.      snowfall in the low and middle latitudes and an increase in the
  94.      high latitudes (Barry, 1985).
  95.  
  96.      Energy balance studies of the Earth-atmosphere system using
  97.      satellite observations indicate a net radiative energy gain
  98.      between the equator and 35 latitude and a net radiative energy
  99.      loss poleward of this latitude. The Arctic region is influenced by
  100.      the energetic subpolar systems transporting heat and momentum into
  101.      the region and it, in turn, influences the general circulation of
  102.      the atmosphere by being a heat sink for the global weather machine
  103.      (Vowinckel and Orvig, 1970). For a better understanding of the
  104.      heat transfer between the atmosphere, the snowpack, and the
  105.      ground, snow depth and snow extent must be known.
  106.  
  107.      Satellite snow cover records are presently too short to determine
  108.      definite trends. Continued monitoring will be needed to define
  109.      snow accumulation and depletion patterns, and to detect
  110.      correlations between snow cover and large-scale circulation
  111.      patterns.
  112.  
  113.      Sponsor
  114.      The production and distribution of this data set are being funded
  115.      by NASA's Earth Science enterprise. The data are not copyrighted;
  116.      however, we request that when you publish data or results using
  117.      these data please acknowledge as follows:
  118.  
  119.           The authors wish to thank the original data producer,
  120.           Dr. Alfred Chang of the Hydrological Sciences Branch at
  121.           NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD. The
  122.           Distributed Active Archive Center (Code 902) at Goddard
  123.           Space Flight Center, Greenbelt, MD, 20771, acquired this
  124.           dataset from the National Snow and Ice Data Center
  125.           (NSIDC) and put it in the present format for
  126.           distribution. Goddard DAAC's share in these activities
  127.           was sponsored by NASA's Earth Science enterprise.
  128.  
  129.      Original Archive
  130.      The original 0.5 by 0.5 degree gridded dataset was acquired from
  131.      the National Snow and Ice Data Center (NSIDC).
  132.  
  133.      The information in this document has been primarily summarized
  134.      from: Chang, A. T. C., J. L. Foster, D. K. Hall, H. W. Powell, and
  135.      Y.L. Chien. 1992. Nimbus-7 SMMR Derived Global Snow Depth Data
  136.      Set. The Pilot Land Data System. NASA/Goddard Space Flight Center.
  137.      Greenbelt, MD.
  138.  
  139.      Future Updates
  140.      Goddard DAAC will update this data set as new data are processed
  141.      and made available at NSIDC.
  142.  
  143. The Data
  144.  
  145.      Characteristics
  146.  
  147.         * Parameters: snow depth
  148.  
  149.         * Units: centimeters
  150.         * Typical Range: 3 to 100 (0 = land with no snow or snow less
  151.           than 2.5 cm)
  152.  
  153.         * Temporal Coverage: October 1978 through August 1987
  154.         * Temporal Resolution: Monthly mean
  155.  
  156.         * Spatial Coverage: Global
  157.         * Spatial Resolution: 1 degree x 1 degree
  158.  
  159.      Source
  160.      The Scanning Multichannel Microwave Radiometer operated on NASA's
  161.      Nimbus-7 satellite (Chang, 1982) for more than eight years, from
  162.      26 October 1978 to 20 August 1987, transmitting data every other
  163.      day. Intended to obtain ocean circulation parameters such as sea
  164.      surface temperatures, low altitude winds, water vapor and cloud
  165.      liquid water content on an all-weather basis (Oakes et al., 1989),
  166.      the SMMR is a ten channel instrument capable of receiving both
  167.      horizontally and vertically polarized radiation. The instrument
  168.      could deliver orthogonally polarized antenna temperature data at
  169.      five microwave wavelengths, 0.81, 1.36, 1.66, 2.8 and 4.54 cm.
  170.  
  171.      A parabolic antenna 79 cm in diameter reflected microwave
  172.      emissions into a five-frequency feed horn. The antenna beam
  173.      maintained a constant nadir angle of 42 degrees, resulting in an
  174.      incidence angle of 50.3 degrees at Earth's surface. The antenna
  175.      was forward viewing and rotated equally +/- 25 degrees about the
  176.      satellite subtrack. The 50 degree scan provided a 780 km swath of
  177.      the Earth's surface. Scan period was 4.096 seconds.
  178.  
  179.      Conversion of the raw radiometric readings to microwave brightness
  180.      temperatures involved correcting for actual antenna patterns,
  181.      including sidelobe effects, as well as separating out the
  182.      horizontal and vertical polarization components of each of ten
  183.      channels of radiometric data (Gloersen et al, 1980, Han, 1981).
  184.  
  185.      After launch, the prelaunch constants were updated by checking
  186.      against earth targets of known properties - open, calm sea water
  187.      with clear skies or light clouds, and consolidated first-year sea
  188.      ice. The brightness temperatures were verified by comparison with
  189.      brightness temperatures obtained from airborne radiometer with all
  190.      SMMR channels during Nimbus 7 underflights. The underflights were
  191.      particularly important, since extrapolation from the laboratory
  192.      cold reference of 100 degrees Kelvin to the postlaunch value of 30
  193.      degrees Kelvin cannot be done with complete confidence.
  194.  
  195. The Files
  196.  
  197.      The global snow data set contains global gridded snow depth
  198.      estimates. Data in each file progresses from North to South and
  199.      from West to East beginning at 180 degrees West and 90 degrees
  200.      North. Thus first point represents the grid cell centered at 89.5
  201.      degree North and 179.5 West. Grids with missing values are filled
  202.      with missing value code ( -999.9). This data set consists of 106
  203.      monthly mean data files for the period from October 1978 through
  204.      August 1987. Format
  205.  
  206.      Data Files
  207.  
  208.         * File Size: 259200 bytes, 64800 data values
  209.         * Data Format: IEEE floating point notation
  210.         * Headers, trailers, and delimiters: none
  211.         * Fill Value: -999.9 (no data available or data failed quality
  212.           filters)
  213.                specific grid values used as mask
  214.                     water: -99.0
  215.                     permanent ice: 254
  216.         * Image orientation: North to South
  217.                Start position: (179.5W, 89.5N)
  218.                End position: (179.5E, 89.5S)
  219.  
  220.      Name and Directory Information
  221.  
  222.      Naming Convention:
  223.  
  224.      The file naming convention for the SMMR Snow Depth files is
  225.  
  226.           smmr_snw.depth.1nmegl.[yymm].ddd
  227.  
  228.      where:
  229.           smmr_snw = data product designator: SMMR snow
  230.           depth = parameter name: snow depth
  231.           1 = number of levels
  232.           n = vertical coordinate, n = not applicable
  233.           m = temporal period, m = monthly
  234.           e = horizontal grid resolution, e = 1 x 1 degree
  235.           gl = spatial coverage, gl=global land
  236.           yy = year
  237.           mm = month
  238.           ddd = file type designation, (bin=binary, ctl=GrADS control
  239.           file
  240.  
  241.      Directory Path
  242.  
  243.           /data/inter_disc/hydrology/smmr_snow/yyyy
  244.  
  245.      where yyyy is year.
  246.  
  247.      Companion Software
  248.      Several software packages have been made available on the CIDC
  249.      CD-ROM set. The Grid Analysis and Display System (GrADS) is an
  250.      interactive desktop tool that is currently in use worldwide for
  251.      the analysis and display of earth science data. GrADS meta-data
  252.      files (.ctl) have been supplied for each of the data sets. A GrADS
  253.      gui interface has been created for use with the CIDC data. See the
  254.      GrADS document for information on how to use the gui interface.
  255.  
  256.      Decompression software for PC and Macintosh platforms have been
  257.      supplied for datasets which are compressed on the CIDC CD-ROM set.
  258.      For additional information on the decompression software see the
  259.      aareadme file in the directory:
  260.  
  261.           software/decompression/
  262.  
  263.      Sample programs in FORTRAN, C and IDL languages have also been
  264.      made available to read these data. You may also acquire this
  265.      software by accessing the software/read_cidc_sftwr directory on
  266.      each of the CIDC CD-ROMs
  267.  
  268. The Science
  269.  
  270.      Theoretical Basis of Data
  271.      Microwave radiometery is useful as a remote sensing tool because
  272.      the emissivity of an object depends on its composition and
  273.      physical structure. Thus, determination of emissivity provides
  274.      information on the physical properties of the emitting medium. The
  275.      equivalent temperature of the microwave radiation thermally
  276.      emitted by an object is called its brightness temperature (Tb). It
  277.      is expressed in units of temperature (Kelvin) because for
  278.      microwave wavelengths, radiation emitted from a perfect emitter is
  279.      proportional to its physical temperature. An object's emissivity
  280.      is determined by measuring the brightness temperature
  281.      radiometrically and by measuring the physical temperature in some
  282.      manner (Foster et al. 1984).
  283.  
  284.      Microwave emission from a layer of snow over a ground medium
  285.      consists of emission by the snow volume and emission by the
  286.      underlying ground. Both contributions are governed by the
  287.      transmission and reflection properties of the air-snow and
  288.      snow-ground interfaces, and by the absorption or emission and
  289.      scattering properties of the snow layer (Stiles et al. 1981).
  290.  
  291.      The intensity of microwave radiation emitted through and from a
  292.      snowpack depends on physical temperature, grain size, density, and
  293.      underlying surface conditions of the snowpack. In general, the
  294.      microwave emissivity of snow increases when liquid water is
  295.      present in the snow; snow often exists near its melting point and,
  296.      as one of the most unstable natural substances, is subject to
  297.      extreme structural changes occurring with freeze-thaw cycles.
  298.  
  299.      Recognizing the microwave signatures of the many forms of snow
  300.      comes with understanding the way snow's permittivity changes
  301.      through the various stages of metamorphism. A material's
  302.      dielectric properties are characterized by the dielectric
  303.      constant, a measure of the material's response to an applied
  304.      electric field. This response combines the wave's propagation
  305.      characteristic (velocity and wavelength) in the material with the
  306.      energy losses in the media.
  307.  
  308.      Snow parameters significantly affecting microwave sensor response
  309.      are: liquid water content, crystal size, depth and water
  310.      equivalent, stratification, snow surface roughness, density,
  311.      temperature and soil state, moisture, roughness and vegetation.
  312.      For example, the dielectric constants of water and ice are so
  313.      different that even a little melting causes a strong microwave
  314.      response. The low dielectric constant for snow also provides
  315.      sufficient contrast with bare ground in the brightness temperature
  316.      range for snowfield monitoring (Rango et al 1979).
  317.  
  318.      Radiation emerging from a snowpack can be derived by solving
  319.      radiative transfer equations (Chandrasekhar 1960, England 1975,
  320.      Chang et al. 1987, Tsang and Kong 1977) and using them to
  321.      calculate brightness temperatures with different physical
  322.      parameters. When radiometric measurements of brightness
  323.      temperature are made at more than one microwave wavelength or
  324.      polarization, it's possible to deduce additional information about
  325.      the medium. This potential provides the rationale for the
  326.      development of inversion techniques that calculate desired
  327.      physical parameters from brightness temperatures measured at
  328.      multiple wavelengths and polarizations (Gloersen and Barath 1977).
  329.  
  330.      Algorithms to evaluate and retrieve snow cover and snow depth have
  331.      been derived from research using a combination of microwave
  332.      sensors aboard satellites, aircraft, and trucks, as well as in
  333.      situ field studies. A method relating microwave radiometric data
  334.      to snow cover and snow depth is to examine the differences between
  335.      the brightness temperature observed for snow-covered ground and
  336.      that for snow-free ground.
  337.  
  338.      Algorithm Development:
  339.  
  340.      Currently, several algorithms are available to evaluate and
  341.      retrieve snow cover and snow depth parameters for specific regions
  342.      and specific seasonal conditions. These algorithms have been
  343.      derived from research using a combination of microwave sensors
  344.      aboard satellites, aircraft, and trucks, as well as in situ field
  345.      studies. A straightforward method to relate microwave radiometric
  346.      data to snow cover and snow depth is to examine the differences
  347.      between the brightness temperature observed for snow covered
  348.      ground and that for snow free ground. The general form of a snow
  349.      cover algorithm is:
  350.  
  351.           Delta Tsc = Fsc - Fsc=0
  352.  
  353.      where
  354.  
  355.      Delta T = change in brightness temperature
  356.      Fsc= observed radiometric value for snow covered terrain
  357.      Fsc=0= observed radiometric value for snow-free terrain
  358.  
  359.      F may be either the brightness temperature at a single frequency
  360.      or a more complicated expression involving the brightness
  361.      temperature at several frequencies or polarizations (Hallikainen
  362.      and Jolma, 1987).
  363.  
  364.      Efforts have been made by several investigators to produce a
  365.      reliable global snow algorithm (Kunzi et al., 1982; Hallikainen,
  366.      1984; Chang et al., 1987). The monthly snow cover and snow depth
  367.      maps produced for this data set were generated by using the
  368.      algorithm developed by Chang et al. (1987) that prescribes a snow
  369.      density of 0.30 g/cubic centimeter and a snow grain size of 0.3 mm
  370.      for the entire snowpack. The difference between the SMMR 37 GHz
  371.      and 18 GHz channels is used to derive a snow depth-brightness
  372.      temperature relationship for a uniform snow field:
  373.  
  374.      SD = 1.59 * (Tb18H - Tb37H)
  375.  
  376.      where SD is snow depth in cm, H is horizontal polarization, and
  377.      1.59 is a constant derived by using the linear portion of the 37
  378.      and 18 GHz responses to obtain a linear fit of the difference
  379.      between the 18 GHz and 37 GHz frequencies. If the 18 GHz
  380.      brightness temperature (Tb18H)is less than the 37 GHz brightness
  381.      temperature(Tb37H), the snow depth is zero and no snow cover is
  382.      assumed.
  383.  
  384.      Evaluation of similar algorithms shows that only those that
  385.      include the 37 GHz channel provide adequate agreement with
  386.      manually measured snow depth and snow water equivalent values. It
  387.      may be noted that the T b18H - Tb37H often gives better results
  388.      than the 37 GHz channel alone. Using the 18 GHz channel reduces
  389.      the snow temperature, ground temperature, and atmospheric water
  390.      vapor effects on brightness temperatures.
  391.  
  392.      The SMMR instrument was not designed to last a decade. The
  393.      characteristics of the SMMR instrument have been changing through
  394.      the years. These changes in instrument behavior have affected the
  395.      calibration of the SMMR measurements. To understand the long-term
  396.      variations of the calibrated SMMR brightness temperatures, the
  397.      monthly means and the standard deviations of the brightness
  398.      temperatures over global ocean areas have been analyzed.
  399.  
  400.      Processing Sequence and Algorithms
  401.      Nimbus-7 SMMR flight data were received by the Meteorological
  402.      Operations Control Center (MetOCC). The user-formatted output tape
  403.      from MetOCC was then transferred to and processed by the Science
  404.      and Applications Computer Center. Two calibrated brightness
  405.      temperature tapes, CELL-ALL and TCT (Temperature Calibrated Tape)
  406.      were produced. CELL-ALL data were gridded according to SMMR
  407.      spatial resolution while TCT data retained footprint
  408.      configuration. TCTs were used for the snow parameters.
  409.  
  410.      Brightness temperatures on CELL-ALL tapes were selected for each
  411.      channel from all ocean areas between 60 degrees N and 50 degrees S
  412.      and 600 km away from land masses. Daytime and nighttime data were
  413.      separated. The means and standard deviations of the brightness
  414.      temperatures for each month from January 1979 to October 1985 were
  415.      calculated. The statistics of this analysis are available in Fu et
  416.      al., 1988.
  417.  
  418.      Resampling of 0.5x0.5 degree gridded dataset to 1x1 degree grid:
  419.  
  420.      For consistency with the other data sets in the Goddard DAAC's
  421.      Climatology Interdisciplinary Data Collection, the SMMR snow data
  422.      received from NSDIC were reformatted at the DAAC from the original
  423.      one-byte unsigned integer into 32-bit floating point quantities
  424.      and regridded to 1 x 1 degree from their original 0.5 x 0.5
  425.      degrees.
  426.  
  427.      Since in the original data, grid elements span from 85 degree
  428.      North to 85 degree South (array dimension 720x340), and the grid
  429.      elements could have the following values:
  430.  
  431.         * 255 -- water
  432.         * 254 -- permanent ice
  433.         * 253 -- no data available, or data failed quality filters
  434.         * 252 -- unused
  435.         * 251 -- unused
  436.         * 3 - 250 -- snow depth in centimeters
  437.         * 0 -- no snow, or snow less than 2.5 cm
  438.  
  439.      following steps were performed in the regridding process:
  440.  
  441.        1. The original data of array size 720x340 was copied to an
  442.           array of dimension (720x360) starting from the (720x10+1)
  443.           cell of the new array. The fill value -999.9 was assigned for
  444.           first and last ten (half degree) latitude bands. We refer
  445.           this larger array as new original data.
  446.  
  447.        2. A temporary 1 degree longitude by half degree latitude grid
  448.           (array dimension 360 x 360) was defined. Starting with the
  449.           first latitude band in the new original data set (89.5N to
  450.           90N), the first pair of grid cells (cells 1 and 2) was
  451.           averaged and assigned to the value of the first temporary
  452.           cell, and average of the next pair of new original data cells
  453.           was assigned to second cell of the temporary array.
  454.  
  455.        3. In step 2, if either of the original 0.5 degree cells is a
  456.           mask value (other than 3-250), then no average is performed
  457.           and the temporary cell is assigned the mask value of the
  458.           unfilled 0.5 degree cell. If both of the original cells have
  459.           different mask values and if any of the contributing cell was
  460.           masked for water (mask value 255), then the new cell value
  461.           was assigned 255 fill value. Similarly if either of the cell
  462.           had value 253 (no data available or quality flagged error)
  463.           then the new cell was assigned the fill value -999.9.
  464.  
  465.        4. Steps 2 and 3 were repeated for the remaining pairs of 0.5
  466.           grid cells (along the longitude) of the first latitude band
  467.           in the new original data set.
  468.  
  469.        5. Steps 2 through 4 were performed for the remaining 179 half
  470.           degree width latitude bands in the new original data set to
  471.           arrive at a temporary array of size 360 x 360 (1 degree
  472.           longitude by 0.5 degrees latitude)
  473.  
  474.        6. The entire procedure above was repeated in the latitudinal
  475.           direction using the same grid cell averaging scheme to arrive
  476.           at the final 360 x 180 (1 degree longitude by 1 degree
  477.           latitude) array.
  478.  
  479.        7. Thus the value of the final element is an average of four
  480.           (two along longitude and two along latitude) original
  481.           elements. The presence of a fill value -999.9 dominates over
  482.           the masks or values of the other three participating
  483.           elements. In the absence of -999.9 element, the presence of
  484.           water (mask 255) dominates over other values (3 to 250, or
  485.           254).
  486.  
  487.        8. At the end the numbers 255 representing the water have been
  488.           changed to -99.0 in order to differentiate water from the
  489.           permanent ice better, since values 254 and 255 are very
  490.           close.
  491.        9. For conformity to existing criteria, and gif images, created
  492.           from the resultant files, were visually inspected to assure
  493.           that the data was free of artifacts introduced by these
  494.           procedures.
  495.  
  496.      Scientific Potential of Data
  497.      In the Northern Hemisphere, the mean monthly snow cover ranges
  498.      from about seven percent to over 40 percent of the land area,
  499.      making snow the most rapidly varying natural surface feature. This
  500.      variability means that snow is a sensitive indicator of climate
  501.      change, depending on temperature, precipitation and solar
  502.      radiation for existence. Yet, once on the ground, snow influences
  503.      each of these climatic factors, with important economic
  504.      consequences: moisture stored in winter snowpack supplies as much
  505.      as one third of the world's irrigation waters.
  506.  
  507.      Snow cover and depth change rapidly over large areas during fall
  508.      buildup and spring melt. To adequately forecast and model these
  509.      changes, accurate snow and ice observations are needed, and
  510.      long-term data bases of snow parameters must be collected. To
  511.      understand heat transfer between the atmosphere, snowpack and
  512.      ground, snow depth and snow extent must be known.
  513.  
  514.      Although the microwave snow products are not yet being used in an
  515.      operational mode, several ongoing studies, described below, point
  516.      out the potential uses of this microwave snow data set.
  517.  
  518.      Climate Modeling Studies:
  519.  
  520.      The mechanics of Earth's atmospheric circulation are highly
  521.      complex and only partially understood, which makes numerical
  522.      simulation difficult. Hence, it is difficult to describe
  523.      rigorously the role of snow as it affects global climate, and it
  524.      is hard to ascertain the causes of a particular deficiency in a
  525.      model's climate simulation because of the complicated interactions
  526.      that take place. In the case of snow, sorting out cause and effect
  527.      can be particularly trying. Its existence depends on factors such
  528.      as temperature, precipitation, and solar radiation, but once
  529.      present, snow cover can influence each of these factors (Broccoli,
  530.      1985). Many global climate models (GCMs) have treated snow as a
  531.      uniform feature; i.e., with a uniform albedo and a uniform
  532.      coverage from year to year. This is not a good depiction of the
  533.      physical situation. Snow cover and depth change rapidly over large
  534.      areas during fall buildup and spring melt and, until recently, the
  535.      capability did not exist to recognize these changes.
  536.  
  537.      For over 25 years, efforts have been made to construct GCMs for
  538.      use in both forecasting and climate modeling projects. During this
  539.      period, great strides were made in improving the accuracy of
  540.      numerical forecasts as well as in the quality of climate model
  541.      simulations. To do this work, accurate snow and ice observations
  542.      are needed to provide boundary conditions for atmospheric GCMs, to
  543.      initialize forecast models, and to validate forecast and climate
  544.      model simulations (Robock, 1980). At present, the most suitable
  545.      snow cover record for validation of GCMs is the NOAA
  546.      satellite-derived snow cover data base. This data base has been
  547.      used to a limited extent in model validation (Kukla, et al.,
  548.      1985).
  549.  
  550.      Some GCMs also predict the mass of snow on Earth's surface from a
  551.      snow mass budget equation that includes the processes of snowfall,
  552.      snow melt, and sublimation. Generally, the snow layer is
  553.      considered to have uniform properties over its entire depth within
  554.      a model grid box, and the surface albedo is taken to be a function
  555.      of the depth of snow and the type of underlying surface. GCMs
  556.      calculate snow accumulation as the result of precipitation from
  557.      clouds. In GCMs, snow ablation occurs only as a result of
  558.      above-freezing temperature.
  559.  
  560.      The observed water equivalent of snow is required to validate the
  561.      surface snow mass simulated by GCMs. Such observations were made
  562.      locally for Europe, North America, and elsewhere from
  563.      climatological records and are archived in various reports. But
  564.      passive microwave data from sensors such as SMMR and SSM/I may
  565.      provide a more realistic synoptic representation of the snow water
  566.      equivalent (Foster and Rango, 1989).
  567.  
  568.      In addition, the snow extent data derived from passive microwave
  569.      satellites may be useful for input to GCMs because the scale of
  570.      the SMMR data is such that it can easily be made compatible with
  571.      typical GCM grid scales, and data can be acquired through cloud
  572.      cover and darkness. SMMR and AVHRR derived data on snow are being
  573.      used in several different versions of GCMs to analyze the
  574.      influence of snow on the global climate. Three of these models are
  575.      the Goddard Laboratory for Atmospheric Sciences (GLAS) 4th Order
  576.      GCM, the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community
  577.      Climate Model (Dickinson, 1983), and the Goddard Institute for
  578.      Space Studies (GISS) GCM (Hansen et al., 1983). Currently,
  579.      realistic satellite derived values of snow extent and snow water
  580.      equivalent are being used in the models to study interannual
  581.      changes in the output of each GCM. Preliminary results for the
  582.      Northern Hemisphere indicate that, as expected, there are some
  583.      disagreements between the climatologically -derived and the
  584.      satellite-derived snow distributions. However, overall patterns
  585.      are basically the same.
  586.  
  587.      Snow Melt Runoff Studies:
  588.  
  589.      Satellite microwave data have been used to evaluate the average
  590.      areal water equivalent of snow cover in the mountainous Colorado
  591.      River Basin in the western U.S. It has been shown that satellite
  592.      microwave data, even at very poor resolution, can be used to
  593.      obtain information about average basin snow water equivalent. The
  594.      microwave approach has certain advantages including an all-weather
  595.      observation capability, an ability to make areal measurements, and
  596.      a data measurement capability in remote, inaccessible regions.
  597.      Difficulties in using the microwave approach that arise from
  598.      alternating dry and wet snowpack conditions are minimized by using
  599.      nighttime data. In a study by Rango et al. (1989), an average snow
  600.      water equivalent for a basin 3,419 km2 in area was obtained using
  601.      the difference in microwave brightness temperatures of the 37 and
  602.      18 GHz channels. In two test years (1986 and 1987), the microwave
  603.      determined average basin snow water equivalent on April 1 was
  604.      within 15 percent of the actual observed value as derived from
  605.      stream flow measurements. The approach is not yet ready for true
  606.      operational use because it needs additional tests in other years
  607.      and in other basins. But as resolutions improve with future
  608.      sensors, the advantages of the microwave measurements will be more
  609.      significant, especially in data sparse regions. The improved
  610.      microwave data could be used on smaller basins and for determining
  611.      snow water equivalent of individual elevation zones. Such data
  612.      could be used for selecting elevation zone snow cover depletion
  613.      curves in particular years for use in snow melt runoff forecasts,
  614.      or to directly provide areal water equivalent data to snow melt
  615.      runoff models (Rango et al., 1989).
  616.  
  617.      Geophysical Studies:
  618.  
  619.      Any redistribution of water mass over Earth causes slight changes
  620.      in Earth's rotation because of the exchange of angular momentum
  621.      between the solid Earth and the hydrosphere. The buildup and
  622.      disappearance of snow excites polar motion producing a shift in
  623.      the position of the rotation axis relative to a fixed geographic
  624.      axis. The polar motion consists mainly of an annual wobble and a
  625.      14-month Chandler wobble. The annual wobble is a forced motion
  626.      caused primarily by seasonal changes in Earth's atmosphere and
  627.      hydrosphere. In the course of the annual wobble, the rotational
  628.      axis describes a somewhat elliptical path about the fixed
  629.      geographic axis of perhaps four meters (Chao et al., 1987).
  630.  
  631.      Until recently, monthly measures of polar motion and global snow
  632.      volume were too inexact to be able to determine the effect of snow
  633.      on Earth's rotation. However, with the launch of the Lageos
  634.      satellite in 1976, which can measure polar motion accurately, and
  635.      the Nimbus satellite in 1978 (SMMR), it is now possible to assess
  636.      and monitor the effects of changes in the distribution of snow
  637.      mass on Earth's surface. Chao et al. (1987) used the Lageos and
  638.      Nimbus data sets to compute the snow load excitation of the annual
  639.      wobble of Earth's rotation axis. It was found that the snow load
  640.      excitation has an amplitude that is some 30 percent of the total
  641.      annual wobble excitation, thus it represents a significant
  642.      geophysical contribution (Chao et al., 1987).
  643.  
  644.      Agricultural Studies:
  645.  
  646.      There is potential for using passive microwave data to detect
  647.      areas of winter kill. Winter kill results when grain crops planted
  648.      in fall (e.g., winter wheat) are damaged or killed because there
  649.      was insufficient snow cover to insulate the young plants from
  650.      subfreezing temperatures. Winter kill is most often experienced in
  651.      the Great Plains of the U.S. and Canada and in the steppe areas of
  652.      the Soviet Union. With adequate snow cover the damage attributable
  653.      to winter kill is minimized even during very cold winters.
  654.      Microwave maps of North America and Eurasia are useful in
  655.      discerning areas of meager snow cover and depth and thus may be
  656.      used as an indirect means to assess winter kill losses (Goodison
  657.      et al., 1986, Foster et al. 1983). In the future, microwave data
  658.      on snow depth and snow cover may be included as an additional
  659.      input to improve the performance of the models currently being
  660.      used to forecast winter kill potential.
  661.  
  662.      Validation of Data
  663.      Extensive validation of the SMMR-derived data on snow cover and
  664.      snow depth (Cavalieri, 1988) is essential and will lead to the
  665.      development of more accurate and reliable algorithms.
  666.  
  667.      There are, of course, complications that arise when one tries to
  668.      apply an algorithm based on average snow conditions to specific
  669.      regions where the climate, snowpack structure, and vegetation
  670.      cover may differ. Studies using radiative transfer modeling and
  671.      SMMR data demonstrate that snowpack structure significantly
  672.      influences the microwave emission. Depth hoar, at the base of some
  673.      snowpacks (Benson et al., 1975), consists of large snow grains
  674.      that are effective scatterers of microwave radiation at the 37 and
  675.      18 GHz frequencies. These large grains cause a reduction in the
  676.      microwave emission from the entire snowpack (Hall et al., 1986).
  677.      Additionally, in dense coniferous forests the greater emission
  678.      from the trees may overwhelm the emission from the underlying
  679.      ground. Thus, the microwave brightness temperature of the snowpack
  680.      is higher than if no trees were present (Hall et al., 1982;
  681.      Hallikainen, 1984). Also, microwave radiation at 37 GHz is nearly
  682.      transparent to shallow (<5 cm) dry snow, which results in
  683.      underestimates of snow extent and snow volume in the vicinity of
  684.      the snow boundary.
  685.  
  686.      Seasonal and annual variability in snow extent have been measured
  687.      from SMMR data as well as Advanced Very High Resolution Radiometer
  688.      (AVHRR) data collected on the NOAA satellites, but the error bands
  689.      are lacking for both products. The SMMR and NOAA products agree
  690.      fairly well, but the SMMR data produce consistently lower snow
  691.      covered area estimates than do the NOAA data. For example, snow
  692.      covered area in the Northern Hemisphere for January 1984 is 39.3 x
  693.      106 km2 and 45.5 x 106 km2 as measured from the SMMR and NOAA data
  694.      respectively, a difference of about 16 percent. The error in the
  695.      SMMR-derived snow depths is more difficult to determine because
  696.      there is no reliable data set with a spatially dense enough
  697.      network with which to compare the SMMR-derived snow depths on a
  698.      hemispheric basis. The only other data set available with which to
  699.      derive global snow volume is the data set produced by the Rand
  700.      Corporation. The monthly averaged Rand data set was constructed by
  701.      using climatological averages from meteorological station data.
  702.      But preliminary comparisons between the SMMR and the Rand data
  703.      sets for snow volume in the Northern Hemisphere indicate that the
  704.      data sets are comparable. For March, the snow volume is 290 x 1016
  705.      and 364 x 1016g as determined from the SMMR and Rand data sets
  706.      respectively. This is a difference of about 20 percent. The error
  707.      bands are unknown and may be large; however, this SMMR temporal
  708.      data set is the only source of monthly snow volume currently
  709.      available (Chang et al., 1992).
  710.  
  711.      Along with the seasonal variations, the data show that the monthly
  712.      mean brightness temperatures have systematic biases between
  713.      daytime and nighttime for most channels. There are also patterns
  714.      of increasing or decreasing monthly mean brightness temperatures
  715.      throughout the first 48 months. Starting in the fifth year, some
  716.      of these patterns changed.
  717.  
  718.      Similar analyses were performed for the brightness temperatures
  719.      over land. The statistics of the analyses are available in Fu et
  720.      al., 1988. Plots of monthly mean brightness temperatures can also
  721.      be found there. The averaged temperatures over land are mostly
  722.      stable, although the standard deviations are, as expected, larger
  723.      than those over the ocean because of the greater scene variability
  724.      over land (Fu et al., 1988).
  725.  
  726. Contacts
  727.  
  728.      Points of Contact
  729.      For information about or assistance in using any DAAC data,
  730.      contact
  731.  
  732.           EOS Distributed Active Archive Center (DAAC)
  733.           Code 902
  734.           NASA Goddard Space Flight Center
  735.           Greenbelt, Maryland 20771
  736.           Internet: daacuso@daac.gsfc.nasa.gov
  737.           301-614-5224 (voice)
  738.           301-614-5268 (fax)
  739.  
  740.      The original Global Snow Depth Data Set (on 0.5 by 0.5 degree
  741.      grid) can be accessed from the NSIDC via this document SMMR Global
  742.      Snow Depth Data (Binary data files)
  743.  
  744.      or via FTP
  745.           ftp daac.gsfc.nasa.gov
  746.           login: anonymous
  747.           password: < your internet address >
  748.           cd /data/inter_disc/hydrology/smmr_snow/original
  749.  
  750.      For algorithm questions related to original data, please contact
  751.      Data Producers:
  752.  
  753.           Dr. Alfred Chang
  754.           Hydrological Sciences Branch, Code 974
  755.           NASA Goddard Space Flight Center
  756.           Greenbelt, MD 20771 USA
  757.           Internet: achang@rainfall.gsfc.nasa.gov
  758.           301-286-8997 (voice)
  759.           301-286-1758 (fax)
  760.  
  761. References
  762.  
  763.      Barry, R. G. 1984. Possible carbon dioxide-induced warming effects
  764.      on the cryosphere. In: Climate Changes on a Yearly to Millennial
  765.      Basis. eds. N. A. Morner and W. Karlen, pp. 571 to 604. Hingham:D.
  766.      Reidel.
  767.  
  768.      Barry, R. G. 1985. Snow cover, sea ice, and permafrost. In
  769.      Glaciers, Ice Sheets, and Sea Level: Effect of a CO2-Induced
  770.      Climatic Change, pp. 241 to 247. Washington:Dept. of Energy.
  771.  
  772.      Benson, C., B. Holmgren, R. Timmer, G. Weller, and S. Parrish.
  773.      1975. Observations on the seasonal snow cover and radiation
  774.      climate at Prudhoe Bay, Alaska, during 1972. Ecological
  775.      Investigations of the Tundra Biome in the Prudhoe Bay Region,
  776.      Alaska. ed. J. Brown, University of Alaska Special Report No. 2,
  777.      pp. 13-50.
  778.  
  779.      Broccoli, A. 1985. Characteristics of seasonal snow cover as
  780.      simulated by GFDL climate models. In Glaciological Data Report
  781.      GD--18, Snow Watch '85, pp. 241-248.
  782.  
  783.      Cavalieri, D. J. 1988. NASA Sea Ice and Snow Validation Program.
  784.      NASA Technical Memorandum 100706.
  785.  
  786.      Chandrasekhar, S. 1960. Radiative Transfer. New York:Dover.
  787.  
  788.      Chang, A. T. C., P. Gloersen, T. Schmugge, T. T. Wilheit, and H.
  789.      J. Zwally. 1976. Microwave emission from snow and glacier ice. J.
  790.      Glaciol. 16:23.
  791.  
  792.      Chang, A. T. C., J. L. l, D. K. Hall, A. Rango, and B. K.
  793.      Hartline. 1982. Snow water equivalent estimation by microwave
  794.      radiometry. Cold Reg. Sci. Technol. 5:259-267.
  795.  
  796.      Chang, A. T. C., J. L. Foster, and D. K. Hall. 1987. Nimbus-07
  797.      SMMR derived global snow cover parameters. Ann. Glaciol. 9:39-44.
  798.  
  799.      Chang, A. T. C., J. L. Foster, and D. K. Hall. 1990. Satellite
  800.      estimates of Northern Hemisphere snow volume. Remote Sensing
  801.      Letters, International Journal of Remote Sensing 11:1:167-172.
  802.  
  803.      Chang, A. T. C., J. L. Foster, D. K. Hall, H. W. Powell, and Y.L.
  804.      Chien. 1992. Nimbus-7 SMMR Derived Global Snow Depth Data Set. The
  805.      Pilot Land Data System. NASA/Goddard Space Flight Center.
  806.      Greenbelt, MD.
  807.  
  808.      Chang, H. D. 1982. User's Guide for Scanning Multichannel
  809.      Microwave Radiometer (SMMR) Instrument First-Year Antenna
  810.      Temperature Data Set. Washington:SASC.
  811.  
  812.      Chao, B., W. P. O'Connor, A. T. C. Chang, D. K. Hall, and J. L.
  813.      Foster. 1987. Snow-load effect on the Earth's rotation and
  814.      gravitational field, 1979-1985. J. Geophys. Res. 92:9415-9422.
  815.  
  816.      Dickinson, R. E. 1983. Land surface processes and climate surface
  817.      albedos and energy balance. Advances in Geophysics 25:305-353.
  818.  
  819.      England, A. W. 1975. Thermal microwave emission from a scattering
  820.      layer. J. Geophys. Res. 80(32):4484-4496.
  821.  
  822.      Foster, J. L. 1989. The significance of the data of snow
  823.      disappearance on the Arctic tundra as a possible indicator of
  824.      climate change. Arctic and Alpine Res. 21:1:60-70.
  825.  
  826.      Foster, J. L., M. Owe, and A. Rango. 1983. Snow cover and
  827.      temperature relationships in North America and Eurasia. J. Clim.
  828.      Appl. Meteorol. 22:460-469.
  829.  
  830.      Foster, J. L., D. K. Hall, A. T. C. Chang, and A. Rango. 1984. An
  831.      overview of passive microwave snow research and results. Rev.
  832.      Geophys. 22:195-208.
  833.  
  834.      Foster, J. L., D. K. Hall, and A. T. C. Chang. 1987. Remote
  835.      sensing of snow. Eos Trans. AGU 68:681-684.
  836.  
  837.      Foster, J. L., and A. Rango. 1989. Advances in modelling of
  838.      snowpack processes utilizing remote sensing technology. Geo
  839.      Journal. 19:2:185-192. Fu, C. C., D. Han, S. T. Kim, and P.
  840.      Gloersen. 1988. User's Guide for the Nimbus-7 Scanning
  841.      Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) CELL-ALL Tape. NASA
  842.      Reference Publication 1210.
  843.  
  844.      Gloersen, P., and F. T. Barath. 1977. A scanning multichannel
  845.      microwave radiometer for Nimbus G and Seasat A. IEEE J. Oceanic
  846.      Eng. OE-2:172-178.
  847.  
  848.      Gloersen, P., D. Cavalieri, and H. V. Soule. 1980. An Alternate
  849.      Algorithm for Correction of the Scanning Multichannel Radiometer
  850.      Polarization Radiances Using Nimbus-7 Observed Data. NASA
  851.      Technical Memorandum 80672.
  852.  
  853.      Goodison, B. E., I. Rubinstein, F. W. Thirkettle, and E. J.
  854.      Langham. 1986. Determination of Snow Water Equivalent on the
  855.      Canadian Prairies Using Microwave Radiometry. IAHS Publ. 155, pp.
  856.      163-173.
  857.  
  858.      Hall, D. K. 1988. Assessment of polar climate change using
  859.      satellite technology. Review of Geophysics. 6:21:26-39.
  860.  
  861.      Hall, D. K., J. L. Foster, and A. T. C. Chang. 1982. Measurement
  862.      and modeling of microwave emission from forested snowfields in
  863.      Michigan. Nordic Hydrology 13:129-138.
  864.  
  865.      Hall, D. K., and J. Martinec. 1985. Remote Sensing of Ice and
  866.      Snow. 189 pp. London:Chapman & Hall.
  867.  
  868.      Hall, D. K., A. T. C. Chang, and J. L. Foster. 1986. Detection of
  869.      the depth-hoar layer in the snowpack of the Arctic coastal plain
  870.      of Alaska, U.S.A., using satellite data. J. Glaciol. 32:87-94.
  871.  
  872.      Hallikainen, M. T. 1984. Retrieval of snow water equivalent from
  873.      Nimbus-7 SMMR data: Effect of land-cover categories and weather
  874.      conditions. IEEE J. Oceanic Eng. OE-9:372-376.
  875.  
  876.      Hallikainan, M., and P. Jolma. 1987. Development of algorithms to
  877.      retrieve the water equivalent of snow cover from satellite
  878.      microwave radiometer data. In Rep. ESA SP-254, pp. 611-616.
  879.      Zurich:Eur. Space Agen.
  880.  
  881.      Han, D. 1981. Offset of polarization rotation for the Nimbus-7
  882.      Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR).
  883.      Washington:SASC.
  884.  
  885.      Hansen, J., G. Russell, D. Rind, P. Stone, A Lacis, S. Lebedeff,
  886.      R. Ruedy, and L. Travis. 1983. Efficient three-dimensional global
  887.      models for climate studies. Models I and II, Monthly Weather
  888.      Review lll:4:609-662.
  889.  
  890.      Kukla, G., R. G. Barry, A. Hecht, and D. Wiesnet. 1985. Snow-Watch
  891.      '85. In Recommendations, Glaciological Data GD-18, Snow Watch '85.
  892.      pp. 1-18.
  893.  
  894.      Kunzi, K. F., S. Patil, and H. Rott. 1982. Snow-cover parameters
  895.      retrieval from Nimbus-7 scanning multichannel microwave radiometer
  896.      (SMMR) data. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. GE-20:452-467.
  897.  
  898.      Oakes, A., D. Han, H. Kyle, G. Feldman, A Fleig, E. Hurley, and B.
  899.      Kaufman. 1989. Nimbus-7 Data Product Summary. NASA Reference
  900.      Publication 1215.
  901.  
  902.      Rango, A., A. T. C. Chang, and J. L. Foster. 1979. The utilization
  903.      of spaceborne microwave radiometers for monitoring snowpack
  904.      properties. Nord. Hydrol. 10:25-40.
  905.  
  906.      Rango, A., J. Martinec, A. Chang, J. Foster, and V. van Katwijk.
  907.      1989. Average areal water equivalent of snow on a mountain basin
  908.      using microwave and visible satellite data. In IEEE Transactions
  909.      on Geoscience and Remote Sensing 27:6:740-745.
  910.  
  911.      Robock, A. 1980. The seasonal cycle of snow cover, sea ice, and
  912.      surface albedo. Mon. Weather Rev. 108:267-285.
  913.  
  914.      Schmugge, T. 1980 (a). Techniques and applications of microwave
  915.      radiometry. In Remote Sensing in Geology, eds. B. S. Siegel and A.
  916.      R. Gillespie, pp. 337-352. New York:John Wiley.
  917.  
  918.      Schmugge, T. 1980 (b). Microwave approaches in hydrology.
  919.      Photogramm. Eng. Remote Sens. 46:4:495-507.
  920.  
  921.      Stiles, W. H., F. T. Ulaby, and A. Rango. 1981. Microwave
  922.      measurements of snowpack properties. Nord. Hydrol. 12:143-166.
  923.  
  924.      Tsang, L., and J. A. Kong. 1977. Theory for thermal microwave
  925.      emission from a bounded medium containing spherical scatters. J.
  926.      Appl. Phys. 48:8:3593-3599.
  927.  
  928.      Vowinkel, E., and S. Orvig. 1970. The climate in the north polar
  929.      basin, in Climate of the Polar Regions, Vol. 14, World Survey of
  930.      Climatology, Elsevier, Amsterdam, pp. 129-252.
  931.  
  932.   ------------------------------------------------------------------------
  933.  
  934.                  [NASA] [GSFC]  [Goddard DAAC] [cidc site]
  935.  
  936.                   NASA  Goddard      GDAAC        CIDC
  937.  
  938. Last update:Thu Jul 31 16:15:30 EDT 1997
  939. Page Author: Page Author: Dr. Suraiya Ahmad -- ahmad@daac.gsfc.nasa.gov
  940. Web Curator: Daniel Ziskin -- ziskin@daac.gsfc.nasa.gov
  941. NASA official: Paul Chan, DAAC Manager -- chan@daac.gsfc.nasa.gov
  942.