Analysis of simulated and spaceborne passive microwave brightness temperatures using in situ measurements of snow and vegetation properties

Variations in snow cover and vegetation in the Province of Quebec, Canada, were characterized for a transect spanning from 50uN to 60uN during the International Polar Year field campaign of February 2008. The main objective of this study was to compare measured (AMSR-E) and modeled (MEMLS) brightness temperature (Tb) and to analyze differences in the in situ measurement of snow water equivalent (SWE) and vegetation. Sampling involved detailed snow measurements on the ground in four different ecological environments. Measured and modeled SWE were compared using a thermodynamic multilayered snow model (SNOWPACK) driven with North American Regional Reanalysis (NARR) data. The root mean square error (RMSE) of modeled data compared with measurements was 63 mm (30%). The simulated SWE was generally underestimated throughout the transect but stayed within the large standard deviation observed for measured SWE. In situ snow measurements were used as input to a microwave emission model (MEMLS) to simulate Tb. An innovative approach using calibrated near-infrared reflectance photographs was used to characterize the effective snow grain-size parameter needed for the radiative transfer model. Although some results provided Tb predictions similar to AMSR-E data for certain areas, large differences remained for the majority of sampling sites. The derived RMSE of 16 K and 32 K, respectively, for 18.7 and 36.5 GHz (vertical polarization) throughout the transect cannot be explained solely in terms of grain-size variations introduced into the simulations. Local variability in snow structure and thickness produced large variability (up to 60 K within one AMSR-E pixel) compared with AMSR-E Tb throughout the transect (15 K for 18.7 GHz and 35 K for 36.5 GHz). Résumé. La variation latitudinale des propriétés nivales et de végétation est analysée le long d’un transect dans le nord du Québec, Canada durant une campagne de mesure associée à l’Année Polaire Internationale (Février 2008). L’objectif principal de l’article est de comparer les températures de brillance (Tb) mesurées (AMSR-E) et modélisées (MEMLS) et d’analyser les différences à l’aide de mesures de propriétés de neige (équivalent en eau de la neige, EEN, en particulier) et de végétation. L’échantillonnage a eu lieu le long d’un transect latitudinal (50–60uN) et des mesures détaillées de neige et de végétation ont eu lieu dans quatre différents environnements écologiques. Des valeurs mesurées et modélisées d’EEN sont comparées le long du transect en utilisant un modèle thermodynamique de neige (SNOWPACK) dirigé avec des données de réanalyses météorologiques (NARR). L’erreur quadratique moyenne par rapport aux valeurs mesurées se situe à 63 mm (30%). L’EEN simulé est généralement sous-estimé le long du transect, mais reste à l’intérieur du large écart-type issu des mesures (i.e. grande variabilité spatiale). Les mesures de neige in situ sont utilisées comme intrants à MEMLS en utilisant une approche innovatrice pour la caractérisation des grains de neige à l’aide de la photographie infrarouge. Même si certaines simulations de Tb se situent près des valeurs satellites, de larges différences sont observées pour la plupart des sites. L’erreur est de 16 K et 32 K respectivement pour les fréquences 19V et 37V le long du transect, et ne peut être entièrement expliquée par les variations sur la taille de grain. La variabilité spatiale de la structure du manteau neigeux génère une grande variabilité du Tb modélisé (jusqu’à 60 K à l’intérieur d’un pixel AMSR-E) lorsqu’on la compare aux valeurs satellitaires (15 K pour 19 GHz et 35 K pour 37 GHz).