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On the effective soil moisture sampling depth of L-Band radiometry

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Academic year: 2021

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HAL Id: hal-02814412

https://hal.inrae.fr/hal-02814412

Submitted on 6 Jun 2020

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On the effective soil moisture sampling depth of L-Band radiometry

Maria-José Escorihuela, Andre Chanzy, Jean-Pierre Wigneron, Yann H. Kerr

To cite this version:

Maria-José Escorihuela, Andre Chanzy, Jean-Pierre Wigneron, Yann H. Kerr. On the effective soil moisture sampling depth of L-Band radiometry. ESA Living Planet Symposium, Jun 2010, Bergen, Norway. n.p. �hal-02814412�

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ESA Living Planet Symposium, Bergen, Norway, 28 June – 2 July 2010

On the Effective Soil Moisture Sampling Depth of L­Band Radiometry  Escorihuela, Maria Jose1; Chanzy, André2; Wigneron, Jean­Pierre3; Kerr, Yann4

1isardSAT; 2UMR EMMAH, INRA, UAPV, Avignon, France; 3INRA, EPHYSE, Bordeaux; 4Centre d'Etudes Spatiales de la  BIOsphère, Toulouse 

Soil moisture plays a key role in hydrological cycle. It is consequently a key variable for weather forecasting, climate  studies, water resources and crop management, and forecasting extreme events. L­band (21cm, 1.4 GHz) microwave  radiometry is among the best ways to estimate soil moisture by remote sensing. Other means (higher frequency  radiometry, optical domain, active remote sensing) suff er strong deficiencies, due to a larger vulnerability to cloud cover  and/or various perturbing factors (such as roughness or vegetation cover), as well as poor sensitivity (Kerr 2007). As a  consequence of recent technical development, two new satellite missions, the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS)  and the Soil Moisture Active Passive (SMAP), will be providing for the fi rst time global mapping of surface soil moisture  based on radiometric measurements at L­band.

The radiative transfer models that simulate soil emission could be roughly divided between the coherent models and  non­coherent model approaches. In coherent models approaches, the soil is seen as a layered medium and each layer  is characterized by its dielectric constant and temperature. The contribution of each layer to the total soil microwave  emission is determined by computing the propagation of a coherent electromagnetic wave, through the layered medium. 

In the non­coherent models, the soil is usually seen as a single layer with an effective soil moisture and effective  temperature. The soil moisture and temperature pro file is used to calculate the soil effective temperature, whereas the  soil emissivity is calculated from the moisture content at the surface layer. For operational applications involving  microwave radiometry, soil moisture is generally estimated by inverting a simple non­coherent model of soil microwave  emission. (Raju et al. 1995) compared both approaches of soil modeling and they found that both accurately model soil  emission providing the non­coherent approach uses an appropriate soil moisture depth. They found that for L­band  radiometers pertinent soil moisture depth was close to 2.5 cm which is in agreement with theory (Ulaby et al. 1986).

In the framework of the SMOS mission preparation, several sites have been instrumented to calibrate and validate  SMOS data when it becomes available. Field and airborne campaigns have been carried out to test, validate and  understand better the radiative transfer models at L­band. Some of them have shown that, in order to accurately model  soil emission, it was necessary to adjust a roughness parameter as a function of soil moisture. In this way, a linear  dependency of soil roughness with soil moisture was found by Escorihuela et al. over a bare soil on the SMOSREX site  (Escorihuela et al. 2007b). Similarly, over vegetated areas, it was found that the calibration of the soil emission was  essential to retrieve accurate estimates of soil moisture. The soil roughness parameters from field and airborne L band  microwave data over vegetated areas were found to be sensitive to soil moisture during the SMOSREX, the COSMOS  and NAFE campaigns (Saleh et al. 2006; Saleh et al. 2009; Panciera et al. 2009). 

In these sites, surface soil moisture was monitored with sensors that provide an integrated measurement over the 0 ­ 5  cm surface layer. Although the L­band soil moisture sampling depth is expected to be somewhat shallower than 5 cm,  these type of sensors are widely used to validate remote sensing data at L­band (Calvet et al. 2007; Merlin et al. 2008). 

This choice is dictated by the geometry of existing moisture sensors, which are difficult to install and maintain near the  surface. 

The aim of this study is to analyze the influence of the soil moisture sampling depth in the parameterization of soil  emission in microwave radiometry at L­band. The analysis is based on brightness temperature, soil moisture and  temperature measurements acquired over a bare soil during the SMOSREX experiment. A more detailed pro le of  surface soil moisture was obtained with a soil heat and water flows mechanistic model. It was found that (1) the soil  moisture sampling depth depends on soil moisture conditions, (2) the e ffective soil moisture sampling depth is shallower  than provided by widely used field moisture sensors, and (3) the soil moisture sampling depth has an impact on the  calibration of soil roughness model parameters. These conclusions are crucial for the calibration and validation of remote  sensing data at L­band. 

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