Deutscher Wetterdienst Bernd Stiller 1, Klemens Barfus 2, Franz H. Berger 1, Xavier Calbet 3, Ulrich Görsdorf 1, Ulrich Löhnert 4, Stephen A. Tjemkes 3

Deutscher Wetterdienst

Bernd Stiller 1, Klemens Barfus 2, Franz H. Berger 1,

Xavier Calbet 3, Ulrich Görsdorf 1, Ulrich Löhnert 4,

Stephen A. Tjemkes 3 und Holger Vömel 1

1 Deutscher Wetterdienst, Meteorologisches Observatorium Lindenberg Richard-Aßmann-Observatorium (MOL-RAO)2 Technische Universität Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, Pienner Str. 21, 01737 Tharandt

3 EUMETSAT, Eumetsat-Allee 1, 64295 Darmstadt4 Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln, Zülpicher Straße 49a, 50674 Köln

Ergebnisse der Lindenberger Ergebnisse der Lindenberger Metop/IASI - ValidierungskampagnenMetop/IASI - Validierungskampagnen

Bild: ESA - AOES Medialab

Metop-A: Start Oktober 2006

IASIIASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)

DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium

GliederungGliederung

Metop/IASI-Validierungskampagnen 2007 und 2008: Ziele und Methoden, ausgewählte Ergebnisse und Erfahrungen

Composite-Profiling mit IPT (Integrated Profiling Technique)

Strahlungsbedingter Trocken-Bias der RS92 Radiosonde

LBLRTM - IASI Spektrenvergleiche in wolkenfreien Szenen

Zusammenfassung


Ziele und MethodenZiele und Methoden

EUMETSAT beauftragte MOL/RAO (DWD) zur Durchführung einer Validierungsmesskampagne vom 01.06.-31.08.2007.

Eine Fortsetzung mit geänderten Rahmenbedingungen gab es 2008.

Schwerpunkte: Bestimmung der Profile (Temperatur, Wasserdampf, Ozon) vom Boden aus zum Zeitpunkt des Überflugs X ein umfangreiches Paket bodengebundener Fernsondie- rung zur Unterstützung von Punkt 1 bzw. zur Charakterisierung der Variabilität der Profile Qualitätssicherung der Daten


Ziele und MethodenZiele und MethodenZusätzliche Radiosondenaufstiege zur Metop-Überflugszeit X

Start: X-60 min + X-5 min Start: X-15 min 2x täglich nur bei wolkenfreien Szenennur bei wolkenfreien Szenen

Sommer 2007: 290 Zusatzauf- stiege bei 368 Routinestarts

2008: 74 Zusatzaufstiege

20072007 20082008



FernsondierungBeispiele für beteiligte Systeme

Mikrowellenprofiler Wolkenradar Ceilometer LD40 Raman-LIDAR Brewer Spektrometer Whole Sky Imager Precision Filter Radiometer GPS-Empfänger



Klassifizierung:Geringe zeitliche Änderungder Temperatur- und Feuchteprofile, abgeleitet aus Radiosondierungen, kontrolliert mit Messungen von Mikrowellenprofiler und LIDAR


Ergebnisse und ErfahrungenErgebnisse und Erfahrungen

Datensätze wurden an verschiedenen Stellen genutzt

Beispiel Ozon:

Referenz: Oduleye, O. O., Th. August, A. Arriaga, X. Calbet, P. Schlüssel, T. Hultberg, A. Osmo, R. Kivi, B. Stiller, K. Barfus: IASI EOF and ANN Retrieved Total Columnar Amounts Ozone, Compared to Ozone Sonde and Brewer Spectrometer Measurements from the Lindenberg and Sodankylä Validation Campaigns. Proceedings of the 2008 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, Darmstadt



Auswertungen von Pougatchev, N.:

Referenz: Pougatchev, N., T. August, X. Calbet, T. Hultberg, O. Oduleye, P. Schlüssel, B. Stiller, K. St. Germain, G. Bingham: IASI temperature and water vapor retrievals – error assessment and validation. Atmos. Chem. Phys., 9, 6453–6458, 2009



(Abb. b vergrößert)

deutlicher Bias in derFeuchtemessung (hier relative Feuchte)in der oberen Troposphärebeim Vergleich IASI - RadiosondeReferenz: Pougatchev, N., T. August, X. Calbet, T. Hultberg, O. Oduleye, P. Schlüssel, B. Stiller, K. St. Germain, G. Bingham: IASI temperature and water vapor retrievals – error assessment and validation. Atmos. Chem. Phys., 9, 6453–6458, 2009


2 Composite-Profiling2 Composite-Profiling

Das Composite-Profiling mit der IPT (Integrated Profiling Technique) gibt die Möglichkeit, unterschiedliche Messergebnisse zum Zeitpunkt des Überfluges „zusammenzufassen“

Radiosonde (Probleme: Verdriftung, nur in einer Höhe Messung genau zum Satellitenüberflug)

Mikrowellenradiometer (vertikal geglättete Profile)

Wolkenradar und Ceilometer (genaue Höhenlage Wolken über dem Punkt, aber keine Angabe über das Tempe- raturprofil und die relative Feuchte außerhalb Wolken)

Referenz: Löhnert, U., S. Crewell, C. Simmer, 2004: An integrated approach toward retrieving physically consistent profiles of temperature, humidity, and cloud liquid water. J. Applied Meteorology, 43, 1295 - 1307


Composite-ProfilingComposite-Profiling

Beispiel für ein mi-nütlich aufgelöstes synthetisches IPT-Profil, im Vergleich mit Ausgangsdaten + Metop/IASI-Profil



Aus rund 500.000 Einzelprofilen gewonnenen Erfahrungen zeigen, dass

(a) die vom Mikrowellenprofiler gemessenen Helligkeitstemperaturen unbedingt biasfreibiasfrei gehalten werden müssen,

(b) die CLOUDNET-Wolkenklassifikation unter bestimmten Bedingungen Schwächen zeigt,

(c) die Umsetzung der Wolkenschichtzuordnung vom Radar zur IPT verfeinert werden muss und

(d) berechnete IPT-Profile Qualitätsflags auf Basis der Konvergenzkriterien erhalten sollten.



Zu Punkt b) Beispiel für Probleme des CLOUDNET-Algorithmus: Atmo-sphärisches „Plankton“ in den Schichten mit negativer Feuchttemperatur (in trockener Luft (Modellwerte!) in Übergangsjahreszeiten durchaus zusammentreffend) wurde im Jahr 2008 wiederholt als Wolke und Plankton unterhalb des Freezing Level als „Drizzle or Rain“ klassifiziert.

fehlerhaft


3 Trocken-Bias RS923 Trocken-Bias RS92

Der strahlungsbedingte „Trocken-Bias“ der RS92Feuchtemessung bei geringer werdendem Luftdruck ist aus zahlreichen Instrumentenvergleichenbekannt, hier Bezug: Vömel et al. 2007

Vergleich der RS92 mit Frostpunkthygrometern, hier: CFH

Referenz: Vömel, H., H. Selkirk, L. Miloshevich, J. Valverde, J. Valdés, E. Kyrö, R.Kivi, W. Stolz, G. Peng, J. A. Diaz, 2007. Radiation dry bias of the Vaisala RS92. J. Atmos. Oceanic Technol., 953-963


Korrektur für Strahlungsfehler der relativen Feuchtemessung:

Vömel et al. 2007

crad(p) = -0.121 58 ln(p)² + 1.664 ln(p) - 4.7855

ccal(T) Tabellenwerte zwischen 0.98 und 1.13, empirisch aus Nachtaufstiegen abgeleitet

Trocken-Bias RS92Trocken-Bias RS92

Kivi et al. 2009

crad(p) = -0.01376 ln(p)² + 0.3018 ln(p) - 0.445

Referenz: Kivi, R., Kujanpää, J., Aulamo, O., Heikkinen, P., Hassinen, S., Calbet, X., Montagner, F., Vömel, H., Observationsof water vapor profiles over Northern Finland by satellite and balloon borne instruments, In Proceedings: 2009 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, 21-25 September 2009, Bath, UK, EUMETSAT P.55, 2009.



Routine

zusätzliche Kampagnenaufstiege

Wechsel zur RS92 mit verspiegelten Kontaktenverspiegelten Kontakten des Feuchtesensors (Vaisala: „Improved coating of humidity sensor contacts“), Produktionsbeginn September 2006.

2007 200806./07.10.2007 09./10.02.2008

09./10.02.2008

Neue RS92-Version

Neue RS92-Version


4 Spektrenvergleiche4 Spektrenvergleiche

Ausgangspunkt:

IASI Level 2- Produkte Differenzen rel. Feuchte in oberer unkorr. Radiosondierung Troposphäre

Vergleich Level 1 - Produkte (Spektren) Berechnung von RTM-Spektren für Kombinationen aus korrigierten Radiosonden und Modelldaten

Vergleiche für ausgewählt wolkenfreie Szenen

mit geringer zeitlicher Änderung der T- und rH-Profile

Referenz: Calbet, X., R. Kivi, S. Tjemkes, F. Montagner, R. Stuhlmann, 2010: Validation of radiative transfer models in the highly absorbing water vapor band for hyperspectral infrared sounders. Second international IASI conference, Sevrier, January 2010.

EUMETSAT-Auftrag an MOL-RAO

Winter 2009/2010


SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche

Teilaufgabe 1: Kombination aus korr. Radiosonden und Modelldaten

- Korrektur notwendig aufgrund des erkannten „Trocken-Bias“- Ergänzung oberhalb Platzpunkt der Radiosonde (ca. 35 km) bis zum Oberrand der Atmosphäre - insbesondere auch: Ersatz der bei 1% rH „abgeschnitteten“ RS92-Feuch- ten durch realistischere Werte in der Stratosphäre (erwartete Werte für Wasserdampfmischungsverhältn.

in der Stratosphäre um 4 .. 6 ppmv)

Quelle der Abbildung.: Calbet, X., R. Kivi, S. Tjemkes, F. Montagner, R.

Stuhlmann, 2010: Validation of radiative transfer models in the highly absorbing water vapor band for hyperspectral infrared sounders. Second international IASI conference, Sevrier, January 2010.

CFHCFH ECMWFECMWF RS92RS92

Abb. zeigt MessungenAbb. zeigt Messungen

in Sodankylä (Finnland)in Sodankylä (Finnland)!!



Teilaufgabe 2: Auswahl wolkenfreier Szenen

Während der Kampagnen Auswahl wolkenfreier Szenen anhand Augenbeobachtung, Wolkenradar und Whole Sky Imager

jetzt zusätzlich: Analyse der Messungen des Metop/AVHRR-Instruments (Advanced Very High Resolution Radiometer) in Kanal 1 und 4 bzw. Auswertung einer AVHRR-Wolkenmaske



Teilaufgabe 3: Auswahl von Überflugereignissen mit geringer zeitlicher Änderung der Temperatur- und Feuchteprofile

Ergebnis: Für Spektrenvergleiche stehen nur wenige Fälle zur Verfügung.

227227 zusätzliche Radiosondierungen zum Metop Überflug

in 2007+2008

nahezu wolkenfrei(AVHRR) innerhalb

eines 50 km Umkreises

19.8%19.8%

„nahezu stationär“

6.1% 6.1% N=8 N=8 3.5%3.5%



Teilaufgabe 4: Modellläufe

Nutzung des von der Atmospheric and Environmental

Research Inc. (AER) entwickelten Line-by-Line-

Strahlungstransfermodells LBLRTM (in der Version 11.7)LBLRTM (in der Version 11.7),

Vergleich der von IASI über Lindenberg gemessenen

Spektren und von LBLRTM am Oberrand der Atmosphäre

ermittelten Spektren (zunächst im Wellenzahlbereich 1500

bis 1800 cm-1 bzw. bis 2000 cm-1)



IASI Fußpunkt 52.26° 14.55° IASI Fußpunkt 52.26° 14.55° Zenitwinkel 17.72°Zenitwinkel 17.72°

LBLRTM 11.7 Zenitwinkel 17.72°LBLRTM 11.7 Zenitwinkel 17.72°T, rH-Profil aus Radiosondierung T, rH-Profil aus Radiosondierung und ECMWFund ECMWF



Wellenzahlbereich 1500 bis 2000 cm-1 und bessere Auflösung

Verwendung korrigierter Radiosondenprofile



Vormittagsüberflüge

Abendüberflüge

Erste Spektrenvergleiche mit unkorrigierten Radiosondenprofilen

ergaben deutliche Unterschiede zwischen Tag und Nacht



Problem: nicht alle „Fälle“ führen zu einer Übereinstimmung von IASI-

Spektrum und RT-Modellberechnung am Oberrand der Atmosphäre

als Maß der Übereinstimmung: Q² als Abstand zur Gaußverteilung



Zuletzt: Erweiterung von 7 auf insgesamt 25 Überflüge, 353 Modell-

realisierungen (verschiedene IFOV, Variation der Emissivität und

Oberflächentemperatur)

Problem: eher selten ist die beste Übereinstimmung in der Nähe der

Radiosondenspur

hier: 1,2 und 3 verglichen

beste Übereinstimmung: 1



Problem: die größeren Differenzen für Fälle mit kleinem Zenitwinkel

(Modellproblem? Problem IASI?) bleiben unerklärlich.

„Krumme Sondenflugbahn“

2007-08-19 08:40

Strahlungskorrektur zu stark?

Keine Er-klärung


5 Zusammenfassung5 Zusammenfassung

Abschließende Stichpunkte: umfangreiche Datensätze mit zeitlich verdichteter Radiosondierung gewonnen

IPT Leistung hängt stark von der Qualität der Eingangsdaten ab ...

Strahlungsbedingter Trocken-Bias der RS92 muss berücksichtigt werden (vor Vergleichen eliminiert werden), aber auch die Weiterentwicklung der RS92

AVHRR-Daten für die Erkennung wolkenfreier Szenen geeignet, IASI- Wolkenklassen dagegen nicht

für RTMs eine Kombination aus korrigierter Radiosonde und ECMWF geeignet

LBLRTM 11.7 erzeugt Spektren (zunächst für 1500-2000 cm-1), die in vielen Fällen gut mit den IASI-Spektren übereinstimmen (innerhalb des Geräte-Rauschens)

Differenzierung innerhalb der IFOV und Fehler bei kleinen Zenitwinkeln nicht völlig erklärbar bzw. auffällig


Vielen Dank für die Geduld.Vielen Dank für die Geduld.



Datensätze mit zeitlich verdichteter Radiosondierung ermöglichten spezielle Auswertungen

hier: wie groß ist dieDifferenz des Flugwegesvon innerhalb einer Stunde verstarteter Radiosonden (mitte undrechts)

Abb. links: Versatzzum Startort



hier: Tagesgänge von Lufttemperatur, relativer Feuchte und spez. Feuchtein verschiedenen Höhen(als Abweichung zum Tagesmittel)



Datensätze mit zeitlich verdichteter Radiosondierung ermöglichten spezielle Auswertungen

hier: Zusammenhang zwischen Änderungen von T, rH, sinnerhalb einer Stundeermittelt von zwei aufeinander folgendenRadiosondierungen und aus Messungen des Mikrowellenprofilersfür verschiedene Höhen



Berücksichtigung der Konvergenzkriterien reduziert die Zahl verfügbarer IPT-Profile (in der dem MOL-RAO vorliegenden Softwareversion)

Beispiel

derzeit wird an einer Weiterentwicklung der IPT gearbeitet (Uni Köln, IGM, Bereich Meteorologie), Einbeziehung IR-Spektrometer ist jetzt möglich

IPT in Lindenberg benutzte unkorrigierte Radiosondenprofile!



Korrektur für Strahlungsfehler der relativen Feuchtemessung:

Vömel et al. 2007 Kivi et al. 2009

Bezug zur weiterentwickelten RS92!

Documents

Deutscher Wetterdienst Bernd Stiller 1, Klemens Barfus 2, Franz H. Berger 1, Xavier Calbet 3, Ulrich Görsdorf 1, Ulrich Löhnert 4, Stephen A. Tjemkes 3