Comportamento das zonas de neve entre 2015-2023 na região norte da Península Antártica com dados do Sentinel-1 e ambiente de computação de nuvem

Abstract

A região norte da Península Antártica está entre as regiões do planeta que apresentaram maior aquecimento atmosférico regional nas últimas décadas. O conhecimento sobre as variações nas zonas de neve de radar possibilita compreender as mudanças na altitude de linha de neve seca em resposta às mudanças climáticas recentes, os fatores que influenciam na sua variabilidade espaço-temporal, bem como as implicações para o balanço de massa do manto de gelo. A tese investiga a variação de área das zonas de neve seca e úmida de radar no período de 2015-2023, e sua relação com as variáveis meteorológicas de temperatura superficial do ar e de precipitação total em áreas continentais da Península Antártica, em latitudes ao norte de 65,20°S. Objetivou-se investigar o comportamento anual dos valores de retroespalhamento nas imagens Sentinel-1 ao longo para o início de verão, final de verão inverno desde 2015 considerando diferentes elevações do manto de gelo. Dados do Sentinel-1, na banda C, juntamente com dados do modelo digital de elevação CryoSat2 e dados meteorológicos de reanálise atmosférica do ERA5 foram processados e analisados na plataforma de processamento em nuvem do Google Earth Engine. Foi desenvolvido um código fonte de processamento dos dados que combina etapas de filtragem, pré-processamento com os dados do CryoSat2 e processamento dos dados, obtenção e análise dos resultados. Para a distinção das zonas de neve de radar, foram aplicados os limiares de retroespalhamento de -6,5 decibéis e de temperatura do ar de -11°C para separar as áreas que podem possuir ocorrência derretimento superficial, juntamente com os limites de altitude para distinguir áreas de zona de gelo exposto das demais. A análise de séries temporais de retroespalhamento em imagens Sentine1 foi aplicada em diferentes elevações e para início de verão, final de verão e inverno. Foi realizada a análise visual de imagens mosaico do Sentinel-1 com a aplicação da composição de bandas RGB falsa-cor para identificar as variações anuais das fácies glaciais na área de estudo. As séries temporais de dados de retroespalhamento foram submetidas ao teste estatístico Mann-Kendall para dados não paramétricos para avaliar possíveis tendências nos dados obtidos pelo processamento. Os resultados demonstraram uma redução da área das zonas de neve seca de radar para os períodos 2019/2020 e 2020/2021 em comparação com 2018/2019 e um aumento da elevação da linha da zona seca, assim, essas flutuações têm um impacto direto no balanço de massa glacial na Península Antártica. A variação anual da área de zonas de neve seca de radar, quando considerados os períodos de inverno austral (junho a agosto), mostrou uma leve diminuição durante o período 2015-2023, como resposta a fatores como o aumento na temperatura média do ar nas últimas décadas e a eventos extremos de derretimentos ocorridos nos períodos de verão. A área da zona de neve úmida demonstrou uma tendência a aumento desde 2015. O aumento progressivo da extensão da zona de neve úmida, principalmente nos períodos de 2015-2016 e 2019-2020 possui relação com as anomalias positivas de temperatura superficial do ar desde 2016. A precipitação e a temperatura média superficial do ar influenciam o comportamento anual das zonas de neve de radar. Os valores de retroespalhamento variaram entre início de verão, final de verão e inverno e em diferentes faixas de altitude durante os anos da análise. Altitudes acima de 2000 m apresentaram menores variações nos valores de retroespalhamento entre 2016 e 2023, e áreas com altitude de <500m exibiram as maiores alterações no início de verão, final de verão e inverno ao longo da série. A variabilidade dos valores de retroespalhamento entre 2019 e 2022 em locais com altitude menores que 2000 m evidenciaram os efeitos da temperatura positiva do ar no derretimento superficial. As fácies de neve seca, percolação e úmida apresentam distintos padrões quando comparados os diferentes períodos do ano devido às mudanças superficiais no pacote de neve. A série de valores de retroespalhamento por altitude mostrou uma tendência negativa mais pronunciada no início de verão e no inverno no período 2016-2023. A composição das imagens multitemporais de três bandas em RGB falsa cor permitiu a identificação e representação visual das alterações anuais das fácies de neve. A utilização de processamento em nuvem no Google Earth Engine proposta pode ampliar o monitoramento das zonas de neve de radar da Península Antártica

The northern region of the Antarctic Peninsula is among the areas on the planet that have experienced significant regional atmospheric warming in recent decades. Understanding variations in radar snow zones allows for an insight into changes in the elevation of the dry snow line in response to recent climate changes, the factors influencing its spatio-temporal variability, as well as the implications for the mass balance of the ice sheet. The thesis investigates the area variation of dry and wet snow radar zones between 2015-2023 and their relationship with meteorological variables of surface air temperature and total precipitation in continental areas of the Antarctic Peninsula, at latitudes below 65.20°S. The aim was to investigate the annual behavior of backscatter values in Sentinel- 1 images during early summer, late summer and winter between 2015-2023 considering different elevations of the study area. Sentinel-1 data, in the C-band, along with CryoSat2 digital elevation model data and ERA5 reanalysis meteorological data were processed and analyzed on the Google Earth Engine cloud processing platform. A source code for data processing was developed, combining steps of filtering, pre-processing with CryoSat2 data, and data processing, obtaining, and analyzing the results. To distinguish the radar snow zones, backscatter thresholds of -6.5 decibels and air temperature of -11°C were applied to separate areas that may have surface melting occurrences, along with elevation limits to distinguish the exposed ice zones from others. Time series analysis of backscatter in Sentinel-1 images was applied at different elevations and for early summer, late summer, and winter. A visual analysis of Sentinel-1 mosaic images with the application of false-color RGB band composition was performed to identify annual variations of glacier facies in the study area. The backscatter data series were subjected to the Mann-Kendall statistical test for non-parametric data to evaluate possible trends in the data obtained by processing. The results demonstrated a reduction in the area of the dry snow radar zone for the periods 2019/2020 and 2020/2021, compared to 2018/2019, and an increase in the elevation of the dry zone line. The annual variation in the area of dry snow radar zone, when considering the austral winter periods (June to August), showed a slight decrease during the period 2015-2023, as a response to factors such as the increase in average air temperature in recent decades and extreme melting events occurred during summer periods. The area of the wet snow radar zone showed a tendency to increase since 2015. The progressive increase in the extension of the wet snow radar zone, mainly in the periods 2015-2016 and 2019-2020 is related to the positive anomalies of surface air temperature since 2016. Precipitation and average surface air temperature influence the annual behavior of the snow radar zones. The backscatter values varied between early summer, late summer, and winter and at different altitude ranges during the years of analysis. Altitudes above 2000 m showed smaller variations in backscatter values between 2016 and 2023, and areas with altitudes <500m exhibited the greatest changes in early summer, late, and winter over the series. The variability of backscatter values between 2019 and 2022 at locations with altitudes less than 2000 m highlighted the effects of positive air temperature on surface melting. Dry, percolation, and wet snow facies exhibit distinct patterns when comparing different periods of the year due to surface changes in the snowpack. The series of backscatter values by altitude showed a more pronounced negative trend in early summer and winter in the period 2016-2023. The composition of multitemporal images in three false-color RGB bands allowed the identification and visual representation of annual changes in snow facies. The use of cloud processing in Google Earth Engine as proposed can expand the monitoring of snow radar zones of northern region of the Antarctic Peninsula.