Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2025, № 3 · RADIO WAVE PROPAGATION

Model of emission from melting snowpack in the microwave range

V.A. Golunov1

1 Fryazino Branch of Kotelnikov IRE RAS, Friazino, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2025.3.8 UDC 535.36 EDN SHJZIM

Abstract

To model the emission, the snowpack is considered as a two-layer medium, of which the top layer is melting, and the lower layer is dry snow. The model is based on experimental data at frequencies of 22.2 GHz, 37.5 and 140 GHz. The recording of the radio brightness temperature of the melting snow cover was accompanied by measurements of the volume density of the liquid phase of water in the top layer of snow. It has been experimentally established that the volumetric moisture content of the upper layer of snow increases linearly from zero to 3 % during the first hour of its melting in sunny weather conditions. In order to accurately reproduce the time dependence of the brightness temperature of the melting snow cover during modeling, it was necessary to assume that the effect of volume scattering in the melting layer is negligible compared to its absorption. It is shown that the model of a melting layer as a mixture of wet ice particles and inclusions of the liquid phase of water embedded in an air background is able to reproduce at frequencies of 37.5...140 GHz the properties of a medium with the dominance of absorption in comparison with volume scattering at wetness of ice particles of at least 2.5 %. Thus, the increase in the radio brightness temperature of melting snow is due to an increase in the contribution of the melting layer’s own radiation and an exponential weakening of the contribution of the radiation of the underlying dry snow by the melting layer. Retrieval of the melting layer thickness based on the developed model showed that the maximum value of the radio brightness temperature of melting coarse-grained snow cover, close to 273 K, is achieved with a layer thickness of 1 cm at 140 GHz, 5...7 cm at 37.5 GHz and 8 cm at 22.2 GHz.

  • microwaves
  • melting snow
  • brightness temperature
  • modeling
  • scattering
  • absorption
  • calorimeter
  • melting layer thickness
Аннотация (на русском)

Модель излучения тающего снежного покрова в микроволновом диапазоне

В данной работе выполнено исследование формирования теплового излучения тающего зернистого снега на частотах 22.2 ГГц, 37.5 и 140 ГГц в условиях солнечной погоды на равнине. Результаты измерения влажности верхнего слоя снежного покрова показали ее линейное по времени нарастание в течение первого часа таяния снега. Предложена и обоснована модель тающего слоя снега в виде поглощающей среды с пренебрежимо слабым объемным рассеянием вследствие объемного увлажнения частиц льда. Возрастание радиояркостной температуры тающего снега обусловлено увеличением вклада собственного излучения тающего слоя и экспоненциальным ослаблением в тающем слое вклада излучения нижележащего сухого снега. Восстановление толщины тающего слоя на основе разработанной модели показало, что предельное значение тающего крупнозернистого снежного покрова, близкое к 273 К, достигается при толщине слоя 1см на частоте 140 ГГц и 5…7 см на частоте 37.5 ГГц.

For citation

Golunov V.A. Model of emission from melting snowpack in the microwave range // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 3. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.3.8

References

  1. Boyarskii D. A. et al. Inclusion of scattering losses in the models of the effective permittivity of dielectric mixtures and applications to wet snow //Journal of electromagnetic waves and applications. - 1994. - Т. 8. - №. 11. - С. 1395-1410. http://doi.org/10.1163/156939394X00281
  2. Boyarskii D. A., Tikhonov V. V. Microwave effective permittivity model of media of dielectric particles and applications to dry and wet snow //Proceedings of IGARSS'94-1994 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. - IEEE, 1994. - Т. 4. - С. 2065-2067. http://doi.org/10.1109/IGARSS.1994.399652
  3. Kuznetsov I. V., Fedoseev L. I., Shvetsov A. A. Snow cover radiometry in the near millimeter wavelength range //Radiophysics and quantum electronics. - 1997. - Т. 40. - №. 9. - С. 745-752. https://doi.org/10.1007/BF02676525
  4. Boyarskii D. A., Tikhonov V. V. Modeling VHF emissivity of snow cover with account of its stratigraphy //Radiophysics and Quantum Electronics. - 1999. - Т. 42. - №. 9. - С. 742-752. http://doi.org/10.1007/BF02676860
  5. Cagnati A. et al. Study of the snow melt-freeze cycle using multi-sensor data and snow modeling //Journal of Glaciology. - 2004. - Т. 50. - №. 170. - С. 419-426. https://doi.org/10.3189/172756504781830006
  6. Macelloni G. et al. Monitoring of melting refreezing cycles of snow with microwave radiometers: The Microwave Alpine Snow Melting Experiment (MASMEx 2002-2003) //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 2005. - Т. 43. - №. 11. - С. 2431-2442. http://doi.org/10.1109/TGRS.2005.855070
  7. Tedesco M. et al. Brightness temperatures of snow melting/refreezing cycles: Observations and modeling using a multilayer dense medium theory-based model //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 2006. - Т. 44. - №. 12. - С. 3563-3573. http://doi.org/10.1109/TGRS.2006.881759
  8. Pan J., Jiang L., Zhang L. Wet snow detection in the south of China by passive microwave remote sensing //2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. - Ieee, 2012. - С. 4863-4866. http://doi.org/10.1109/IGARSS.2012.6352523
  9. Ulaby F. T., Stiles W. H. Microwave response of snow //Advances in Space Research. - 1981. - Т. 1. - №. 10. - С. 131-149. https://doi.org/10.1029/JC085iC02p01037
  10. Colbeck S.C. The geometry and permittivity of snow at high frequencies //Journal of Applied Physics. - 1982. - Т. 53. - №. 6. - С. 4495-4500. http://doi.org/10.1063/1.331186
  11. Ulaby F., Moore R., Fung A. Microwave Remote Sensing: Active and Passive, vol. 3, Artech House //Inc., Norwood, Massachusetts. - 1986.
  12. Sihvola A.H. Electromagnetic mixing formulas and applications. - Iet, 1999. - №. 47.
  13. Голунов В.А. Спектральные особенности теплового излучения тающего снежного покрова // XIV Всес. конф. по распр. р/волн. Тезисы докладов, часть 2. - Ленинград, 1982. - С. 193-195.
  14. Голунов В.А., Коротков В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом. Итоги науки и техники, сер //Радиотехника. - 1990. - Т. 41. - С. 68-136.
  15. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - Мир, 1981. - Т. 1. - С. 280.
  16. Wiesmann A., Mätzler C. Microwave emission model of layered snowpacks //Remote sensing of environment. - 1999. - Т. 70. - №. 3. - С. 307-316. http://doi.org/10.1016/S0034-4257(99)00046-2
  17. Голунов В.А. Спектральная зависимость коэффициента поглощения микроволнового излучения в тающем снеге // Журнал радиоэлектроники. - 2024 (в печати).
  18. Самойлов О.Я. Об исследованиях структуры воды //Ж. струк. Химии. - 1963. - №4. - С. 499-501.
  19. Кузьмин П.П. Процесс таяния снежного покрова. - Гидрометеоиздат, 1961.
  20. Долов М.А., Халкечев В.А. Физика снега и динамика снежных лавин //Л.: Гидрометеоиздат. - 1972.
  21. Кузьмин П.П. Формирование снежного покрова и методы определения снегозапасов. - Гидрометеоиздат, 1960.
  22. Elachi C., Van Zyl J.J.Introduction to the physics and techniques of remote sensing. - John Wiley & Sons, 2021.
  23. Дюнин А.К. В царстве снега. / Отв. ред. П. И. Мельников. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделениение, 1983.