Impact of the microstructure of precipitation and hydrometeors on multi-frequency radar observations

Abstract

Continuous observations are needed to monitor and predict the state of the changing Earth system. These observations must be global, and therefore areas with poor or no infrastructure also have to be covered by them. Remote sensing systems, especially those based on satellites, are a practically achievable way to make measurements also in such remote areas. The hydrological cycle is a critical part of the atmosphere-ocean system. It is monitored remotely by many satellites, but the need for new technologies to improve the accuracy of the measurements is widely recognized. Precipitation and cloud radars appear to be promising tools, but have so far been operated in only two satellites. Typically, space-based radars use shorter wavelengths than most ground-based weather radars. This complicates the problem of modeling the radar scattering, whose nature depends on the size of the targets relative to the wavelength. Understanding the radar scattering at short wavelengths is particularly important for multi frequency radars, which are used to infer additional information about their targets from the difference of signals of different frequencies, and thus originating from different scattering processes. These radars require that one of the wavelengths be of the order of the typical target hydrometeor size or shorter. The Arctic and the Antarctic, which are particularly significant among Earth's remote areas because of their sensitivity to climate change, present specific challenges and opportunities for spaceborne radars. Compared to regions closer to the equator, the typically light precipitation rate, small size of precipitating particles and common occurrence of snowfall in these areas require radars to have higher sensitivity. Because of the small hydrometeor size, respectively shorter wavelengths are needed there to use a multi-frequency system. On the other hand, these factors also mean that signal attenuation by the hydrometeors is usually fairly weak. This increases the suitability of short-wavelength radars, whose signal is attenuated more strongly in the atmosphere than those with longer wavelengths. This thesis is also concerned with the complex shapes of snowflakes, which make the interpretation of the scattered signals more difficult. It has previously been a common practice in radar scattering computations to simplify the particle structure to an equivalent analytical model, but it turns out that such models are often not consistently usable at high frequencies, above roughly 30–90 GHz depending on the snowflake size. Instead, the shape model should describe also the microstructure of the snowflakes. An autocorrelation-based particle model is suggested herein as an alternative that can adequately account for that structure and yet remain simple enough to be suitable for the interpretation of radar observations.

Maan ilmakehän muuttuvan tilan valvontaan ja ennustamiseen tarvitaan jatkuvaa havainnointia. Havaintoja täytyy tehdä kaikkialla maapallolla, ja siksi niiden täytyy kattaa myös alueet, joilla on huono tai olematon infrastruktuuri. Kaukokartoituslaitteilla, varsinkin satelliitteihin asennetuilla, voidaan tehdä mittauksia käytännöllisesti myös näillä syrjäisillä alueilla. Hydrologinen kierto on elintärkeä osa ilmakehän ja merten muodostamaa järjestelmää. Sitä valvotaan kaukokartoituslaitteilla useista satelliiteista käsin, mutta mittausten tarkkuuden parantamiseen tarvitaan uutta teknologiaa. Sade- ja pilvitutkat vaikuttavat lupaavilta mittalaitteilta, mutta näitä on tähän asti käytetty vain kahdessa satelliitissa. Satelliittitutkat käyttävät yleensä lyhyempiä aallonpituuksia kuin maan pinnalle asennetut säätutkat. Tämä monimutkaistaa tutkasironnan mallinnusta, sillä sironnan luonne riippuu mittauskohteiden koon ja aallonpituuden välisestä suhteesta. Tutkasironnan ymmärtäminen lyhyillä aallonpituuksilla on erityisen tärkeää monitaajuustutkille, jotka saavat mittauskohteista lisää tietoa tulkitsemalla eri taajuuksilla mitattujen, ja siten erilaisista sirontaprosesseista peräisin olevien signaalien eroja. Näissä tutkissa vähintään yhden aallonpituuksista on oltava tyypillisen hydrometeorin kokoluokkaa tai lyhyempi. Arktiset ja antarktiset alueet, jotka ovat merkittäviä syrjäisiä alueita johtuen niiden herkkyydestä ilmastonmuutokselle, asettavat omanlaisensa haasteet ja mahdollisuudet satelliittitutkille. Verrattuna päiväntasaajaa läheisempiin alueisiin, näiden alueiden tyypillisesti heikko sade, hydrometeorien pieni koko ja lumisateen yleisyys vaativat tutkilta suurempaa herkkyyttä. Monen taajuuden tutkajärjestelmän käyttämiseen näillä alueilla tarvitaan kohteiden pienemmän koon vuoksi vastaavasti lyhyempiä aallonpituuksia. Toisaalta näistä syistä myös tutkasignaalin vaimeneminen näillä alueilla on yleensä melko heikkoa. Tämä parantaa lyhyiden aallonpituuksien tutkien käytettävyyttä, sillä näiden tavallinen heikkous on, että signaali vaimenee voimakkaammin kuin pidemmillä aallonpituuksilla. Tässä väitöskirjassa käsitellään myös lumihiutaleiden monimutkaista muotoa, joka tekee havaintojen tulkitsemisesta hankalampaa. Tavallisesti tutkasirontaa laskettaessa on ollut tapana yksinkertaistaa kohdehiukkasen rakenne vastaavaan analyyttiseen malliin, mutta osoittautuu, että tällaisia malleja ei usein voida käyttää yksiselitteisellä tavalla korkeilla, lumihiutaleiden koosta riippuen yli 30–90 GHz, taajuuksilla. Hiukkasmallin tulisi sen sijaan kuvata myös lumihiutaleiden rakennetta. Autokorrelaatioon perustuvaa hiukkasmallia ehdotetaan tässä väitöskirjassa vaihtoehdoksi, joka ottaa rakenteen riittävällä tavalla huomioon ja on kuitenkin riittävän yksinkertainen käytettäväksi tutkahavaintojen tulkintaan.