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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
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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
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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
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Ziele und MethodenZiele und Methoden
FernsondierungBeispiele für beteiligte Systeme
Mikrowellenprofiler Wolkenradar Ceilometer LD40 Raman-LIDAR Brewer Spektrometer Whole Sky Imager Precision Filter Radiometer GPS-Empfänger
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Ziele und MethodenZiele und Methoden
Klassifizierung:Geringe zeitliche Änderungder Temperatur- und Feuchteprofile, abgeleitet aus Radiosondierungen, kontrolliert mit Messungen von Mikrowellenprofiler und LIDAR
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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
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Ergebnisse und ErfahrungenErgebnisse und Erfahrungen
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
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Ergebnisse und ErfahrungenErgebnisse und Erfahrungen
(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
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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
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Composite-ProfilingComposite-Profiling
Beispiel für ein mi-nütlich aufgelöstes synthetisches IPT-Profil, im Vergleich mit Ausgangsdaten + Metop/IASI-Profil
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Composite-ProfilingComposite-Profiling
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.
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Composite-ProfilingComposite-Profiling
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
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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
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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.
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Trocken-Bias RS92Trocken-Bias RS92
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
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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
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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)!!
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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%
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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)
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
Wellenzahlbereich 1500 bis 2000 cm-1 und bessere Auflösung
Verwendung korrigierter Radiosondenprofile
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
Vormittagsüberflüge
Abendüberflüge
Erste Spektrenvergleiche mit unkorrigierten Radiosondenprofilen
ergaben deutliche Unterschiede zwischen Tag und Nacht
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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
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SpektrenvergleicheSpektrenvergleiche
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
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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
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Vielen Dank für die Geduld.Vielen Dank für die Geduld.
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Ergebnisse und ErfahrungenErgebnisse und Erfahrungen
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
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Ergebnisse und ErfahrungenErgebnisse und Erfahrungen
hier: Tagesgänge von Lufttemperatur, relativer Feuchte und spez. Feuchtein verschiedenen Höhen(als Abweichung zum Tagesmittel)
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Ergebnisse und ErfahrungenErgebnisse und Erfahrungen
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
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Composite-ProfilingComposite-Profiling
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!
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Trocken-Bias RS92Trocken-Bias RS92
Korrektur für Strahlungsfehler der relativen Feuchtemessung:
Vömel et al. 2007 Kivi et al. 2009
Bezug zur weiterentwickelten RS92!