Applications of L-band missions for environmental research

Abstract

Human activity leads to environmental changes which threaten the vegetation. Global warm ing trends, deforestation and land cover, or modified Earth's surface albedo, are sorne examples of these environmental changes. Additionally, natural hazards such as droughts and wildfires may increase their frequency and intensity in sorne regio ns of the globe due to climate shifts. In this context, remole sensing missions are needed to further our knowledge of the Earth's system, to monitor global ecosystems, and ultimately quantify changes in vegetation, carbon stocks and water resources. In particular, satellite pass ive microwave sensors provide a unique mea ns to regularly obtain global maps of the Earth's surface soil moisture (SM) and of the attenuation of the soil m icrowave em ission through the vegetation canopy (represented by the vegetation optical depth parameter; VOD). VOD is linked to the vegetation water content (WVC) and can also be related to the above-ground carbon density lmportantly, low microwave frequencies (L-band) are more sensitive to high densities of vegetation canopy and to soil moisture than higher frequencies. The first two space missions carrying an L-band radiometer on-board for measuring the Earth's SM have been launched in the last decade: the European Space Agency's (ESA) Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS, in 2009) and the National Aeronautics and Space Administration's (NASA) Soil Moisture Active Passive (SMAP, in 2015). The main goal of this Thesis is to assess the applicability of L-band satellite retrievals of SM and VOD on vegetation studies. The first part of this Thesis applies SM information -complementarily to other data sources- to assess and preven! drought­derived impacts on vegetation in the lberian Península: Soil moisture and land surface temperature (LST) data are applied to study the soil conditions before fire ignitions in the region. A tire risk index is developed. The forest decline in Catatonia after a severe drought in summer 2012 is modelled as a function of species, climate variables and SM. The second part of this Thesis presents the capacity to infer vegetation conditions and carbon density from VOD with two dedicated research studies: The sensitivity of L-band VOD to carbon stocks in tropical regions is compared with VOD at higher frequency bands and with optical-infrared vegetation indices. The L-band VOD shows enhanced sensitivity to carbon density in most regions. Seasonal metrics of VOD have been proposed for crop yield assessment. Results over the US Corn Belt show that VOD explains up to 78% of yield variance. The results presented in this Thesis contribute to improve present capabilities of predicting wildfires, forest decline and crop yield, as well as of monitoring forest carbon stocks, using new global information from L-band Earth observation sensors. SM and VOD are very valuable indicators to support food security and ecosystem preservation decision making, as well as to enhance present capabilities of mapping carbon stocks.

Actualment, les condicions ambientals estan canviant i això amenaça els ecosistemes i, més concretament, la vegetació. Aquests canvis són induïts principalment per l’activitat humana, ja sigui directament o indirecta. En són exemples l’escalfament global causat per l’increment en la concentració atmosfèrica de gasos d’efecte hivernacle, la desforestació i els canvis en les cobertes del sòl provocats per l’expansió de l’agricultura, o els canvis en les propietats de les superfícies de la terra, dels oceans i del gel que alteren l’albedo de la superfície del planeta. A més a més, la freqüència i la intensitat de riscos mediambientals com les sequeres o els incendis forestals poden augmentar en algunes regions degut als canvis en el clima. En aquest context, els satèl·lits per a l’observació de la Terra són necessaris per a estudiar el medi ambient, mesurant la vegetació i els recursos hídrics, així com el carboni emmagatzemat en la vegetació. En concret, els sensors passius de microones permeten obtenir, de manera regular, mapes globals de la humitat del sòl i de l’atenuació de les microones (emeses pel sòl) quan travessen la coberta vegetal. Aquesta atenuació s’expressa com la profunditat òptica de la vegetació, o VOD per les seves sigles en anglès. El VOD està relacionat amb el contingut d’aigua de la vegetació, i també amb la densitat de carboni de la fracció aèria de les plantes. Les microones de baixa freqüència (banda L) són més sensibles per a mesurar les cobertes vegetals més denses i la humitat del sòl, i en canvi les microones de freqüències més altes ho són menys (per exemple les bandes C o X). Les primeres missions espacials que porten radiòmetres en banda L a bord per a mesurar la humitat del sòl s’han llençat en els darrers deu anys. Són la Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS; la missió per a l’estudi de la humitat del sòl i la salinitat dels oceans llençada per l’Agència Espacial Europea l’any 2009), i la Soil Moisture Active Passive (SMAP; la missió per a l’estudi de la humitat del sòl de forma activa i passiva, llançada per la NASA, l’agència espacial dels Estats Units, l’any 2015). L’objectiu principal d’aquesta Tesi Doctoral és valorar l’aplicabilitat de les dades d’humitat i VOD en banda L per a estudiar la vegetació. La primera part d’aquesta Tesi aplica informació d’humitat del sòl –complementàriament amb altres fonts de dades- per a analitzar i prevenir impactes de les sequeres en la vegetació de la Península Ibèrica: - S’apliquen dades d’humitat i de temperatura de la superfície del sòl per a estudiar l’estat dels sòls prèviament a la ignició dels incendis a la regió. Es desenvolupa un índex de risc d’incendis per a predir l’extensió que els focs poden arribar a tenir, sota determinades condicions d’humitat i temperatura. Els resultats mostren com la humitat explica més d’un 30% de l’àrea potencial dels incendis. - Es realitza un model per a explicar el decaïment forestal a Catalunya després d’una important sequera que va tenir lloc l’estiu de 2012. El decaïment s’estudia en funció de les espècies, de la humitat del sòl, i de variables climàtiques. L’efecte de la humitat en el decaïment dels boscos és coherent amb l’efecte que mostren les altres variables estudiades, i explica aproximadament un 5% de la variància. La segona part d’aquesta Tesi Doctoral analitza la capacitat per a inferir les condicions de la vegetació i la densitat de carboni amb dos estudis específics: - Es compara la sensibilitat a la densitat de carboni del VOD de la banda L amb la de freqüències més altes i amb la d’índexs de vegetació en l’òptic i l’infraroig. El VOD en banda L mostra major sensibilitat en la majoria de regions, independentment de l’altitud i dels tipus de vegetació. L’ús complementari de VOD a diferents freqüències i d’índexs de vegetació en l’òptic-infraroig pot millorar les estimacions de carboni. - Es proposen mètriques estacionals de VOD per a avaluar el rendiment dels cultius. Els resultats en la regió del “US Corn Belt” (nord dels Estats Units) mostren com el VOD explica un 78% de la variància del rendiment, i que el VOD és una eina amb potencial per a millorar les prediccions en el rendiment dels cultius. Els resultats que es presenten en aquesta Tesi Doctoral contribueixen a millorar la capacitat de predir els incendis, el decaïment forestal, i el rendiment dels cultius, així com a millorar el monitoratge de la densitat de carboni als boscos, utilitzant nova informació a escala global provinent de sensors d’observació de la Terra que mesuren en banda L. La contribució de la humitat del sòl i del VOD en banda L pot ser una eina molt valuosa per a prevenir la degradació d’ecosistemes i les situacions de risc alimentari, i per a millorar les estimacions del contingut de carboni a la Terra.