Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

60

Introduction

Significant progress in terms of weather forecasting, climate moni-

toring and extreme event forecasting has been made during recent

years using sophisticated models fed amongst others by data acquired

by operational satellites. However, further significant improvements

now depend to a large extend on the availability of global observations

of two crucial variables, Soil Moisture (SM) and Sea Surface Salinity

(SSS).To date this information is lacking because in situ measure-

ments are far from global, and so far no SM and SSS dedicated, long-

term space mission has been attempted.

This situation led to the formulation of the Soil Moisture and Ocean

Salinity (SMOS) mission, the European Space Agency's second Earth

Explorer Opportunity Mission planned for launch in 2005. The SMOS

mission was proposed by a team of scientists from 10 European coun-

tries and the United States of America, gathering most of the available

expertise in the related fields. The main objective of the SMOS mis-

sion is to demonstrate the observation from space of SSS over oceans

and SM over land using a common instrument: a microwave L-band

two-dimensional interferometric radiometer. It uses a synthetic anten-

na very thin as compared to an equivalent real one [1].

Material and methods

The dielectric constant for seawater is determined, among other

variables, by salinity [2]. In principle it is possible to retrieve SSS

from microwave measurements as long as variables in?uencing the

brightness temperature (TB) signal (SST, roughness, foam,) can be

accounted for e.g. by the use of different viewing angles, polarisations

and frequencies, as well as ancillary data from other sensors and

sources. The sensitivity of TB to SSS is maximum at low microwave

frequencies and the good conditions for salinity retrieval are found at

L-band (1.4 GHz, 21cm wavelength). However, it must be stressed

that at this frequency the sensitivity of TB to SSS is low (0.5K per psu

for an SST of 20

8

C, decreasing to 0.25K per psu for an SST of 0

8

),

placing demanding requirements on the performance of the instrument

[3].

To address new challenges that this mission presents, such as inci-

dence angle variation with pixel, polarization mixing, effect of wind

and foam and others, a measurement campaign (WISE 2000: WInd

and Salinity Experiment) was sponsored by ESA for autumn 2000.

The objective was to perform, for the first time, radiometric measure-

ments of the sea surface from a fixed tower at different azimuth and

incidence angles during a long period to allow the occurrence of dif-

ferent environmental (mainly wind and water temperature) conditions.

Some airborne campaigns with L-band radiometers had taken place in

the US [4], but long-term tower based measurements had never been

organised.

Results

An L-band and an IR radiometers, a video, a stereo-camera and four

oceanographic and meteorological buoys were installed in and around

the oil platform “Casablanca”, 40 Km off the coast of Tarragona (NW

Mediterranean), where the sea conditions are representative of the

Mediterranean open sea with periodic in?uence of the Ebro river fresh

water plume. Events of strong NW and NE winds are not uncommon

in the area during autumn. 

The experiment was initiated on 14 November 2000, although

rough seas did not allow the full deployment of buoys until two weeks

later, and some sensors, especially the accelerometers of a wave rider

buoy, were damaged and could not be further used. The initially

planned duration of one month was extended until 15 January 2001. At

present the different data sets are being processed and preliminary

results are expected for mid 2001. Although some interferences

appeared in different moments and at some look directions, the quali-

ty level of the recorded radiometric data appears to be quite good, and

consequently the outcome of WISE 2000 is expected to be an impor-

tant contribution to the SMOS scientific definition studies. These and

future measurements will allow a better understanding of the sea state

effects on the sea surface emission at L-band, and then improved emis-

sivity models formulation for the development of salinity retrieval

algorithms to be used during the SMOS mission.

It is expected that, with these kind of scientific studies and the

instrument technological development being carried out by ESA, the

observation of salinity from space will be possible in the next future.

However, the low radiometric sensitivity to salinity changes, and the

expected errors in the measurement, do not allow using single obser-

vations for oceanographic applications. It will be necessary to make

spatial and temporal averages to reduce noise. The aim of SMOS is to

provide salinity data with an accuracy (0.1 psu) adequate for climatic

and large scale studies, and with a spatial and temporal resolution sim-

ilar to the presently available oceanographic atlases and climatological

data bases [5]. Of course we are still far away from having a satellite

sensor able to be used for mesoscale oceanography in the

Mediterranean, but we are in the first step to fill the dramatic gap in

salinity observations all over the world oceans.

References

1 – Kerr Y., Font J., Waldteufel P., Camps A., Bará J., Corbella I., Torres

F., Duffo N., Vall-llosera M. and Caudal G., 2000. Next generation

radiometers: SMOS a dual pol L-band 2D aperture synthesis radiometer.

In: IEEE 2000 Aerospace Conference Proceedings, Big Sky MO, March

18-25, IEEE Catalog Number: 00TH8484C ISBN 0-7803-5846-5

2 – Klein L.A. and Swift C.T., 1977. An improved model for the dielec-

tric constant of sea water at microwave frequencies. IEEETrans. Ant.

Prop., 25, 104-111

3 – Lagerloef G.S.E., Swift C.T. and LeVine D.M., 1995. Sea surface

salinity: the next remote sensing challenge. Oceanogr., 8, 44-50

4 – Miller J.L., Goodberlet M.A. and Zaitzeff J.B., 1998. Airborne salini-

ty mapper makes debut in coastal zone. Eos,Trans.AGU,79, 173 and

176-177

5 – Levitus S., Burgett R. and Boyer T.P., 1994. World Ocean Atlas 1994

Volume 3: Salinity, NOAA NESDIS 3

WISE 2000: CAN WE MEASURE SALINITY FROM A SATELLITE?

J. Font

1

*, A. Camps

2

, J. Etcheto

3

, P.Wursteisen

4

, M. Martín-Neira

4

, J. Bará

2

, I. Corbella

2

, N. Duffo

2

, L. Enrique

2

,

F.Torres

2

, M. Vall-llosera

2

, R. Villarino

2

, M. Emelianov

1

, C. Gabarró

1

,A. Julià

1

, J. Boutin

3

,A.Weill

3

,A. Caselles

5

,

L.Martínez

5

, R. Niclòs

5

, E.M. Rubio

5

and M. Moll

6

1

Institut de Ciències del Mar, CSIC, Barcelona, Spain - jfont@icm.csic.es

2

Dep.Teoria del Senyal i Comunicacions, Univ. Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

3

L

ODYC

-CETP, Institut Pierre-Simon Laplace, Paris, France, 

4

European Space Agency, ESTEC, Noordwijk, The Netherlands,

5

Dep.Termologia, Univ.València, Burjassot, Spain,

6

EMS Sistemas de Monitorización Ambiental S.L., Barcelona, Spain

Abstract

Satellite observation of ocean salinity has not been possible until now due to the challenge of ?ying a microwave radiometer able to detect

sea surface emission variations related to salinity.The European Space Agency SMOS mission is the first attempt to solve this problem.

A new radiometric concept and recent improvements in understanding the processes that modify the ocean water emissivity have made it

possible. The WISE 2000 campaign has been conducted in the NW Mediterranean to obtain radiometric and in situ data to improve the

understanding of the sea state effect on the sea surface L-band microwave emissivity.

Key-words: remote sensing, salinity, instruments and techniques, air-sea interactions