Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

98

SURFACE SALINITY MEASURED BY AN AIRBORNE MICROWAVE RADIOMETER 

IN THE NW MEDITERRANEAN

C. Gabarró

1*

, J. Font

1

, J. Miller

1,2

1

Institut de Ciències del Mar. CSIC. Passeig Marítim 37-49, 08003 Barcelona, Spain - *cgabarro@icm.csic.es, jfont@icm.csic.es

2

U.S. Office of Naval Research, London, UK. jmiller@onrifo.navy.mil

Abstract

SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) is a satellite mission of the European Space Agency (ESA) to be launched in 2007. One of its

goals is the generation of global Sea Surface Salinity (SSS) maps. SMOS will carry an L-band (1.4 GHz) interferometric radiometer with

full polarimetric capability. The airborne EuroSTARRS campaign was sponsored by ESA in 2001 to provide land and ocean data for the

scientific studies supporting the SMOS mission, in particular to acquire ‘SMOS like’data to advance in the knowledge of passive

microwave multi-incidence observations for various surfaces. Some results of the campaign in the NW Mediterranean are presented and

discussed here.

Keywords: Microwave radiometry, SMOS, Surface salinity

The EuroSTARRS campaign took place in November 2001 over

land and ocean sites in France and Spain (1). The STARRS (Salinity

Temperature and Roughness Remote Sensing) instrument (2) from the

US Naval Research Laboratory was ?own onboard a DLR (Germany)

plane. It is a pushbroom L-band (1400-1426 MHz) V-polarisation

radiometer that measures simultaneously brightness temperature (Tb)

in six crosstrack beams at different angles and builds a 2-D image as

the aircraft moves along track. 

On November 21

st

the plane over?own the Casablanca oil platform,

near the shelf break 40 km off the Ebro river delta, in the NW

Mediterranean. Simultaneously the R.V. García del Cid was

measuring surface salinity and temperature following the ?ight line,

plus some vertical T and S profiles in the area (3). At the same time

another ESA campaign (WISE 2001) was taking place from that

platform, with a fully polarimetric L-band radiometer measuring Tb at

different incidence angles during one month, and several

meteorological and oceanographic moored buoys recording surface

data around the platform (4).

The objective of this work is to demonstrate that it is possible to

retrieve salinity from the radiometer measurements in the

Mediterranean, and to validate empirical and theoretical sea surface

emissivity models needed for the inversion of Tb into salinity. In the

past years, improved methods have been developed to model the

polarimetric emission of the sea surface for different SSS, SST and

surface roughness. However, these models have been developed or

tuned at higher frequencies than L-band, typically 19 and 37 GHz.

Using data acquired during WISE a new semi-empirical model was

derived by fitting the sensitivity of Tb to wind speed at different

angles. In (5) some of these models are presented and used to retrieve

SSS from data acquired during WISE. 

The algorithm used to obtain salinity from Tb is the Levenberg-

Marquardt recurrent least square fit. It has been chosen for its easy

implementation and computational efficiency. Tb is computed setting

an initial guess for SSS into the direct emissivity model, and the

resulting value is compared with the Tb measured by the radiometer.

Then an increment (DSSS) is added to the initial salinity, the new Tb

is computed and compared again to measurement. This recursive

process is stopped when the difference between measured and

computed Tb is smaller than a specified threshold.

In situSSS measured during EuroSTARRS was quite constant, its

variability being below the sensitivity of the radiometer. The wind

speed was very low during the ?ight and an average value of 3.67 m/s

has been used in the computation. SST was measured by additional

infrared channels in STARRS. As the radiometric data were

significantly noisy, an average of the 800 Tb measurements recorded

during a straight ?ight in very similar atmospheric conditions have

been used in the retrieval.

Six different emissivity models have been tested, and retrieval

results compared with Casablanca in situ measurements. Semi-

empirical models provide better results than theoretical models, and

the best performances are obtained when using models derived from

WISE data. It has to be stressed that the latter correspond to similar

environmental and hydrographic conditions than during

EuroSTARRS, but were acquired by a radiometer of different

technology and situated much closer to the sea surface (4).

Table 1 presents the errors on the retrieved salinity using 3 different

semi-empirical models, all of them derived from WISE campaign

data: the first one is dependent on wind speed (WS), the second

dependent on significant wave height (SWH), and the third dependent

on both parameters. Results show that the best option is the joint

dependence on WS and SWH, since this model, in opposition to the

others, includes the effect on surface roughness of swell and not fully

developed wind seas. 

Table 1. Comparison of different semi-empirical models. 

?

SSS =

|

SSS

_

measured - SSS

_

retrieved

|

An open question for the SMOS mission, is how these auxiliary

parameters (WS and SWH), necessary for the SSS retrieval, will be

obtained all over the world oceans. Table 2 shows the errors on the

retrieved salinity in the EuroSTARRS case produced by errors on the

wind speed measurements using the semi-empirical model dependent

only on WS. Additionally to in situ data two different sources for wind

speed information have been analysed: QuikSCAT satellite

scatterometer and ARPEGE (MétéoFrance) atmospheric model. Both

have similar spatial resolutions, but the temporal resolution is much

higher for the model (6h) than for the satellite (3 days).

Table 2. Errors in retrieved salinity when using different sources for wind

speed.

It appears that small errors on WS (nominal error for the model is

2m/s) produce large errors on the retrieved salinity. The better results

with ARPEGE output than with QuikSCAT measurements is probably

related to the different temporal resolution. 

References

1-Berger M., Camps A., Font J., Kerr Y., Miller J.L., Johannessen J.,

Boutin J., Drinkwater M.R., Skou N., Floury N., Rast M., Rebhan H.,

Attema E., 2002. Measuring ocean salinity with ESA’s SMOS mission –

Advancing the science. ESA Bull-Eur Space, 111: 113-121

2-Miller J.L., and Goodberlet M., 2003. Development and application of

STARRS – a next generation airborne salinity imager. Intl. J. Remote

Sensing, accepted.

3-Emelianov M., Font J., Julià A., Gabarró C., LLoret M. and Solé J.,

2003. Sea surface fiels at Casablanca site (NW Mediterranean) during the

EuroSTARRS campaign. Proceedings of the WISE/LOSAC/EuroSTARRS

Campaigns Workshop,ESA SP-525: 73-80

4-Camps A. , Font J., Vall-llossera M., Gabarró C., Villarino R., Enrique

L., Miranda J., Corbella I., Duffo N., Torres F., Blanch S., Arenas J., Julià

A., Etcheto J., Caselles V., Weill A., Boutin J., Contardo S., Niclòs R.,

Rivas R., Reising S.C., Wursteisen P., Berger M. and Martín-Neira M.,

2003. The WISE 2000 and 2001 campaigns in support of the SMOS

mission: Sea surface L-band brightness temperature observations and their

application to multi-angular salinity retrieval. IEEE Trans. Geosci. Remote

Sensing, in press

5-Gabarró C., Vall-llossera M., Font, J. and Camps, A., 2003.

Determination of sea surface salinity and wind speed by L-band

microwave radiometry from a fixed platform. Intl. J. Remote Sensing, 24,

in press.