Gepubliceerd op 30 januari 2025
Het doel van het WAVETRAX-project is om klimaatmonitoring te verfijnen door ons begrip te vergroten van hoe actieve microgolf-teledetectie reageert op snelle interacties tussen land en atmosfeer binnen één etmaal. Het project zal de dynamische interacties onderzoeken tussen microgolven en essentiële klimaatvariabelen (ECV's), zodat lacunes in de interpretatie van satellietgegevens aangepakt kunnen worden en de nauwkeurigheid van klimaatmonitoring verbeterd. De eerste essentiële stap is het verbeteren van het begrip van de microgolfrespons aan de grond op subdagelijkse processen. Het projectteam heeft daarom zijn eigen radarantennes geïnstalleerd op 3 locaties om data te beginnen verzamelen.
Sub-dagelijke processen monitoren
Satellietgegevens leveren waardevolle informatie over het aardsysteem en spelen een sleutelrol bij het monitoren van ons klimaat. De huidige satellietmissies zijn echter beperkt in hun mogelijkheden om gedetailleerde kortetermijnprocessen in het aardsysteem vast te leggen, zoals de herverdeling van vocht in het continuüm bodem-plant-atmosfeer door transpiratie van planten, of regen-op-sneeuw events die de microstructuur en stratigrafie van sneeuw veranderen.
Toekomstige teledetectiesatellietmissies kunnen deze kritieke waarnemingsleemte opvullen door zich te richten op het monitoren van subdagelijkse processen. Met name actieve microgolfwaarnemingen via teledetectie zijn zeer gevoelig voor variaties in bodemvocht, vegetatiewatergehalte en sneeuweigenschappen, waardoor ze zeer geschikt zijn voor het observeren van snelle dynamiek in de hydrosfeer, biosfeer en cryosfeer.
Maar voordat we kunnen laten zien hoe nieuwe concepten voor actieve microgolfsatellieten deze waarnemingsleemte kunnen opvullen, is het van essentieel belang om een beter begrip te krijgen van de microgolfrespons aan de grond op subdagelijkse processen.
Drie sites, zes sensoren
Het STEREO-IV-project WAVETRAX wil onze kennis van radarverstrooiingssignalen en hun relatie met dagdagelijkse landprocessen vergroten door middel van radarexperimenten met torens. In totaal zullen drie sites worden geïnstrumenteerd, elk met twee nieuw-ontwikkelde radarsensoren:
- de Fermes Universitaires de Louvain (FERM)-site nabij Louvain-La-Neuve, België, zal worden uitgerust met één C-band (5.4 GHz) en een L-band (1,4 GHz) radar;
- de Brundage-site in de Idaho Rocky Mountains, VS, zal twee C-band radars hebben;
- de Weissfluhjoch-site bij Davos, Zwitserland, een C-band en een Ku-band (13,5 en 17,3 GHz).
Gelijktijdig met de radar backscatter-metingen op sub-uur tijdsintervallen een uur, zullen de onderzoekers intensieve tijdreeksmetingen verzamelen van verschillende bodem-, vegetatie- en sneeuweigenschappen.
 |
|||
|---|---|---|---|
| Radarband | Frequentie | Golflengte | Toepassingen en gebruikssituaties |
|
Ka |
27–40 GHz | 1.1–0.8 cm | zelden gebruikt |
| K | 18–27 GHz | 1.7–1.1 cm | zelden gebruikt |
| Ku | 12-18 GHz | 2.5 - 1.67 cm |
Winden aan oceaanoppervlak, zeeijs, ijskappen, sneeuweigenschappen, altimetrie |
| X | 8 – 12 GHz | 3.8 – 2.5 cm | Stedelijke monitoring, ijs en sneeuw, weermonitoring, beperkte doordringing in vegetatie |
| C | 4 – 8 GHz | 7.5 – 3.8 cm | Landgebruik, landbouwmonitoring, ontbossing, ijs, oceaan en maritieme navigatie |
| S | 2 – 4 GHz | 15 – 7.5 cm |
Biomassa, bosbeheer, bodemvochtigheid, geologie en hydrologie |
| L | 1 – 2 GHz | 30 – 15 cm |
Bodemvochtigheid, gletsjers, geofysische monitoring, biomassa- en vegetatiekartering, inSAR |
| P | 0.3 – 1 GHz | 100 – 30 cm |
Dringt het diepste door, aardverschuivingen, erosie, archeologie en wetlands |
Het elektromagnetische spectrum met SAR-banden gemarkeerd. De tabel toont SAR-banden met hun bijbehorende frequentie en golflengte, samen met typische toepassingen voor die band. Bron: https://www.earthdata.nasa.gov/learn/earth-observation-data-basics/sar
Continuïteit van onderzoek voor uitgebreide analyse
De onderstaande figuur toont een verticaal profiel van de intensiteit van de radarachtergrondverstrooiing (HH- en HV-polarisatie) in de tijd, gemeten met een C-band radarsensor, samen met in-situ waarnemingen van de sneeuwdiepte (SD) en het sneeuwwaterequivalent (SWE) op een testlocatie in de Idaho Rocky Mountains, VS. Deze gegevens, die zijn verzameld in het kader van het STEREO III-project C-SNOW, bieden belangrijke inzichten in de verstrooiingsbronnen binnen het sneeuwpakket en bodemoppervlak en leren ons hoe deze bijdragen veranderen na smelt-bevriezingsprocessen of de vorming van ijslagen.
Dagelijkse torenradargegevens (dB) op de onderzoekslocatie Bogus Basin, Idaho, VS, voor de winterseizoenen 2022-2023 en 2023-2024. De twee bovenste panelen laten zien hoe de radarverstrooiing binnen het sneeuwvolume en de bodem verandert in de tijd, respectievelijk in HH- en HV-polarisatie. De verticale as geeft de afstand (m) tot de radar weer, de horizontale as de tijd en de kleur geeft de verstrooiingsintensiteit (dB) aan. De onderste grafiek toont de tijdreeks van in-situ gemeten sneeuwdiepte, SD (cm) en sneeuwwaterequivalent, SWE (cm) voor dezelfde periode.
Dergelijke informatie maakt het mogelijk om het ontwerp te verbeteren van satellite retrieval-algoritmen voor het inschatten van belangrijke sneeuwspecificaties zoals SD en SWE, die een breed scala aan toepassingen dienen, waaronder waterbeheer en waterkrachtactiviteiten.
Tijdens het vervolgproject WAVETRAX zal deze analyse van verstrooiingssignalen sterk worden uitgebreid met nieuwe radarsensoren met verbeterde resolutie over een breder frequentiebereik, voor gedetailleerde monitoring op locaties die zowel sneeuw als landbouwgrond omvatten. Dit zal het mogelijk maken om aanvullende essentiële klimaatvariabelen te onderzoeken, zoals bodemvocht aan het oppervlak en in de wortelzone, optische diepte van vegetatie en verdamping vanaf het land en hun invloed op microgolfafstandsdetectie.
Installatie van radars op een nieuwe locatie, namelijk Weissfluhjoch, vlakbij Davos, Zwitserland, waar sneeuwexperimenten zullen plaatsvinden voor WAVETRAX. De figuren tonen het testen van twee verschillende radarconfiguraties, met verschillende antennes: de witte doos bevat kleine, lineaire, taps toelopende sleufantennes (LTSA), de blauwe grotere zijn standaard hoornantennes met versterking. Het team test momenteel de invloed van de antennes op de metingen, vooral omdat ze een heel verschillende voetafdruk hebben (veel meer gericht voor de hoornantennes).
Veldexperimenten op 5m hoogte en diep in de sneeuw
Eind september 2024 installeerde het team van het Hydro-Climate Extremes Lab (H-CEL) van de Universiteit Gent een nieuwe C-band radarsensor bovenop een 5 meter hoge meettoren op de site van Weissfluhjoch in Zwitserland. De radar, uitgerust met hoornantennes met standaard versterking, zal de intensiteit van de verstrooiing van het sneeuwpakket monitoren tijdens het sneeuwseizoen van dit jaar.
De verzamelde gegevens zullen ons inzicht vergroten in backscattermechanismen die beïnvloed worden door verschillende eigenschappen van sneeuw zoals gelaagdheid, korrelgrootte en -type, dichtheidsvariaties en smelt.
Een van de regelmatige sneeuwputwaarnemingen bij Weissfluhjoch, in februari 2024, waarbij het WAVETRAX-team hielp met het verzamelen van gegevens tijdens hun bezoek aan de site.
Projectteam
Universiteit Gent: Hans Lievens - Niko Verhoest - Diego Miralles - Emma Tronquo - Jaron Vandenbroucke
UC Louvain: Sébastien Lambot - Merlin Mareschal
KU Leuven: Lieven De Strycker - Chesney Buyle - Bert Cox - Guus Leenders - Liesbet van der Perre
Boise State University: Hans-Peter Marshall
TU Delft: Susan Steele-Dunne
Schnee- und Lawinenforschung SLF: Tobias Jonas