Imaging snow with SAR: state of the art and validation with ground-based data

The rising temperatures and the melting of the eternal snowcaps have created an increasing need for a continuous monitoring of the global snowpack. This would allow scientists to better understand how the snow cover changes, its effects on the supply of freshwater and the corrections needed to current weather models. The tracking of snow can be done using ground-based, airborne and spaceborne synthetic aperture radars (SAR), which present the necessary temporal and spatial resolutions for this endeavour. More specifically, four families of SAR methods can be distinguished: the direct analysis of the backscatter, polarimetry, interferometry and tomography. The technique of polarimetry is analysed using the SnowScat database, which consists in ground-based measurements taken in Davos, Switzerland, between 2017 and 2019. The total backscatter is analysed and compared with important state of the art claims: almost all results are accurately reproduced, save for those from the study of Lievens & al. The technique of tomography is presented in more details with the AlpSar tomograms: the ground-based data was taken at X-band and Ku-band in the Austrian Alps and shows the profile of the different snow layers. The effect of two important parameters - the squint angle and the variations in the dielectric constant - are analysed. The use of the maximum squint angle is found to be optimal to obtain the clearest snow layers, while the correction for refraction is performed in two steps, for the top and bottom layers of the snowpack. Overall, these results and those found with the SnowScat database allow to verify important findings from the literature and detail how to obtain the best retrievals depending on the structure of the observed snowpack.

L'innalzamento delle temperature e lo scioglimento delle nevi eterne hanno creato una crescente necessità di un monitoraggio continuo del manto nevoso globale. Ciò consentirebbe agli scienziati di comprendere meglio come cambia la copertura nevosa, i suoi effetti sulla fornitura di acqua dolce e le correzioni necessarie agli attuali modelli meteorologici. Il tracciamento della neve può essere effettuato utilizzando radar ad apertura sintetica (SAR) terrestri, aerei e spaziali, che presentano le risoluzioni temporali e spaziali necessarie per questo sforzo. Più nel dettaglio si possono distinguere quattro famiglie di metodi SAR: l'analisi diretta del backscatter, la polarimetria, l'interferometria e la tomografia. La tecnica della polarimetria viene analizzata utilizzando il database SnowScat, che consiste in misurazioni a terra effettuate a Davos, in Svizzera, tra il 2017 e il 2019. Il backscatter totale viene analizzato e confrontato con importanti affermazioni sullo stato dell'arte: quasi tutti i risultati sono riprodotti accuratamente , ad eccezione di quelli provenienti dallo studio di Lievens & al. La tecnica della tomografia è presentata più in dettaglio con i tomogrammi AlpSar: i dati a terra sono stati rilevati in banda X e Ku nelle Alpi austriache e mostrano il profilo dei diversi strati di neve. Viene analizzato l'effetto di due importanti parametri: l'angolo di strabismo e le variazioni della costante dielettrica. L'utilizzo dell'angolo di strabismo massimo è risultato ottimale per ottenere gli strati di neve più chiari, mentre la correzione per la rifrazione viene eseguita in due passaggi, per gli strati superiore e inferiore del manto nevoso. Nel complesso, questi risultati e quelli rilevati con il database SnowScat consentono di verificare importanti risultati della letteratura e di dettagliare come ottenere i migliori recuperi a seconda della struttura del manto nevoso osservato.