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Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 VOS or SOO drifting or moored buoy research vessel Polar-orbiting infra-red radiometer Polar-orbiting.

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1 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 VOS or SOO drifting or moored buoy research vessel Polar-orbiting infra-red radiometer Polar-orbiting microwave radiometer Geostationary orbit Infra-red radiometer Platforms for Measuring SST VOS = Voluntary observing ship SOO = Ship-of-opportunity

2 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Measuring SST: Sampling issues

3 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Processes affecting SST Measurement Procedures Sensor calibration Atmospheric correction Cloud detection Skin-bulk model T S +(1- )T sky 1mm 10 cm 5 m ? Cloud Processes Detector, transducer, amplifier, digitiser Surface emissivity effects Scattering & absorption by stratospheric dust Absorption by Water vapour, etc. Thermal microlayer Diurnal thermocline S TbTb Digital signal, S T.o.a. brightness temperature (radiance), T b Bulk temperature, T bulk Water-leaving radiance Skin temperature, T S Temperature Measure Flow of information TSTS T bulk

4 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Aus der Betrachtung der Schwartzschild Gleichung: … wissen wir, dass die Strahlung von der Oberfläche dominieren soll, d. h. wir brauchen eine Wellenlänge in einem atmosphärischen Fenster, so dass d ( ) groß und d (,p)/dp klein ist. AVHRR Kanäle AVHRR Kanäle KanalWellenlänge m

5 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Keines dieser Fenster ist perfekt für unsere Anwendung, es wird immer Beiträge aus der Atmosphäre geben, die hauptsächlich durch Absorption/Emission des Wasserdampfes verursacht werden. Daraus ergibt sich, dass Änderungen in der Differenz beider Kanäle durch Änderungen im Wasserdampfgehalt verursacht sind. Aber: Wir haben Glück, das m Fenster ist breit genug für zwei Kanäle. Und: Kanal 5 des AVHRR zeigt eine höhere Absorption als Kanal 4. Ch4 Ch5 Transmission

6 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Wird T B mit steigendem Wasserdampfgehalt größer oder kleiner? Einfachster Fall: Oberfläche + eine homogene Atmosphärenschicht: T s, e s =1 T a, d =0.9 daraus wird, oder, 10% der von der Oberfläche emittierten Strahlung wird durch die kühlere vom Wasserdampf emittierte Strahlung ersetzt. T B nimmt ab (bestimmt durch T s, T a, und d )

7 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Wie beeinflusst der Wasserdampf die spektrale Änderung von T B ? Wenn wir den Wassergehalt verdoppeln, was ändert sich? doppelt so groß, (4)=0.102, (5)=0.210 und, d (4) =0.90, d (5) =0.81 Weil T s und T a sich nicht mit der Wellenlänge ändern, ergibt sich… vs T s, e s =1 T a, d (4) =0.95, d (5) =0.9 (4)=-ln0.95=0.051, (5)=0.105 (für Nadir Blick)

8 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Wie geht es richtig? Wir messen zwei Strahldichten bei zwei Wellenlängen: Was dürfen wir für die benachbarten Wellenlängen annehmen? Die Gewichtsfunktionen sind sehr ähnlich, deswegen ist T a bei der emittiert wird nahezu gleich. T a variiert weniger als 1K (Prabhakara, 1974). Die Oberflächenemissivität ist nahezu gleich und damit ist T s auch gleich. Und wie wir schon wissen, Transmissionsunterschiede werden nur durch Wasserdampf hervor gerufen.

9 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Wenn W der über die Säule integrierte Wasserdampf ist dann ist: Wir haben jetzt also 2 Messungen (L 1 und L 2 ) und 3 Unbekannte (T a, T S, W), häh? Um das zu lösen müssen wir die Wellenlängenabhängigkeit beseitigen. Weil alle Gewichtsfunktionen an der Oberfläche ihr Maximum haben, sind T s, T B1, T B2 dicht an T a. Entwicklung der Planckfunktion um T a : Aufschreiben für beide Wellenlängen und eliminieren von (T-T a ) ergibt eine Gleichung, die Strahlungsänderungen bei einer Wellenlänge zu Änderungen in der anderen in Relation setzt:

10 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Verwenden, um B 2 (T B2 ) und B 2 (T S ) zu approximieren: und Einsetzen in Gleichungen für L 1 = B 1 (T B1 ) und L 2 = B 2 (T B2 ) Auflösen: Gleichung für B 1 (T B1 ) nutzen, um T a zu eliminieren:

11 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Die Split-Window Technik ist eine Korrekturmethode, d. h. die Messung bei einer Wellenlänge wird benutzt, um atmosphärische Effekte in der anderen zu korrigieren. Was war noch mit dem Wasserdampf, unserer dritten Unbekannten? hängt nicht stark vom Wasserdampfgehalt ab! Weil die Transmission sehr groß ist, kann man schreiben (wegen: exp(-x) = 1-x für kleine x): Und daraus ergibt sich dann:

12 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Das Prinzip eines SST Algorithmus SST wird abgeleitet aus einer linearen Differenz von Helligkeitstemperaturen bei zwei infraroten Wellenlängen; Die zwei Kanäle werden verwendet, um den atmosphärischen Beitrag zu eliminieren und die Oberflächentemperatur zu bestimmen; Wolken verursachen Probleme in den Algorithmen -> bevor ich so etwas anwenden kann, muss ich Wolken detektieren und eliminieren (Wolkenmaske); Es gibt verschiedene Wege einen Algorithmus zu entwickeln, z.B. durch Regression von Helligkeitstemperaturen mit tatsächlich gemessenen Wassertemperaturen.

13 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Es gibt einige verschiedene Methoden, um Wolken zu detektieren: Maximum Temperatur alle Messungen eines kleinen Gebietes werden über einen kurzen Zeitraum verglichen. Die höchste Temperatur wird als beste Schätzung verwendet. Dies basiert auf: a. Eigenschaften der Oberfläche sind mehr persistent als die von Wolken b. Wolken sind kälter als die Oberfläche. Caveat: Diese Methode versagt, wenn wir persistente dünne Zirruswolken haben. Zwei Wellenlängen Infrarot Vergleiche Temperaturen bei 3.7 µm und 10.5 µm. Wenn die Temperaturen nahezu gleich sind, können wir annehmen, dass das gemessene Signal von a. der Oberfläche kommt, ODER b. von homogenen Wolken kommt, die wir aber in einem sichtbaren Kanal detektieren können. Wenn die Temperaturen unterschiedlich sind, dann haben wir wahrscheinlich nicht detektierte Wolken in unserer Szene.

14 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Infrarot Variabilität Temperaturen von Wolken zeigen eine höhere räumliche Variabilität als die Oberflächentemperatur. Deswegen können alle Werte in einem Gebiet, die nur kleine Abweichungen von einem Mittelwert, der dicht am erwarteten Wert der SST liegt als gute Schätzungen akzeptiert werden. Zwei Wellenlängen Sichtbar-Infrarot verwendet reflektiertes Sonnenlicht, um Wolken zu erkennen. Verwendet die Annahme, dass die Ozeanoberfläche im sichtbaren viel dunkler als die Wolken sind.

15 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003

16 Table 2. Atmospheric Sources of Error from Stewart, Methods of Satellite Oceanography 3.7 µm wavelength10.5 µm wavelength undetected clouds 0-10 K undetected clouds 0-10 K aerosols0.3-5 K water vapor 1-8 K water vapor Kaerosols0.1-2 K other gases0.1 K reflected sky K other gases0.1 K AVHRR Kanal 4

17 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 MCSST - Multichannel Sea Surface Temperature Die wahre SST ist ein lineares Komposit aus Kanal 4 und 5 des AVHRR, d. h. T s = A + B T 4 + C T 5 A, B, und C werden empirisch bestimmt, also: Messe T S (Schiff, Boje, etc.) an vielen Orten gleichzeitig mit Messungen von T 4 und T 5 (AVHRR) Bestimme statistisch A, B, und C durch z. B. durch Regression T s (x) = A + B T 4 (x) + C T 5 (x) T s (x) = D + E T 3 (x) + F T 4 (x) + G T 5 (x) Nachts kann man auch noch Kanal 3 (3.7 m Wellenlänge) benutzen (Warum?)

18 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 BULK (1-5m Tiefe) SST measurements: (1)Schiffe (2)Bojen (seit Mitte der siebziger Jahre), weniger anfällig für Fehler Skin SST von Infrarotsensoren SR (Scanning Radiometer) und VHRR (Very High Resolution Radiometer), beide auf NOAA Platformen seit Mitte der siebziger Jahre; AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer): Seit 1978 (4 Kanäle, seit NOAA-6) Seit 1988 (5 Kanäle, seit NOAA-11) AVHRR Kanäle Kanal Wellenlänge m Achtung: Unterscheidung zwischen der so genannten BULK SST und der Skin SST ist notwendig! Skin SST

19 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Radiative Transfer Model Variable Input Parameter Material ConstantsInstrument Parameters Simulated Measurements Formulation of Retrieval Models Statistical Inference Interpretation Comparison Means of Comparison Satellite Data Application Operational Application New Approach Bad Good Alternative zu Bodenmessungen ist ein Strahlungsmodell:

20 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Tropical Rainfall Measuring Mission TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission TRMM Joint project of NASA (USA) and NASDA (Japan) Mission for 3 years, launch: 27 th November 1997 near circular orbit in 350 km and inclination of 35° ca. 96 min for one orbit Joint project of NASA (USA) and NASDA (Japan) Mission for 3 years, launch: 27 th November 1997 near circular orbit in 350 km and inclination of 35° ca. 96 min for one orbit Visible and InfraRed Scanner VIRS: channel µm µm µm µm µm IFOV6.02 mrad horizontal resolution2 km (nadir) swath width720 km Visible and InfraRed Scanner VIRS: channel µm µm µm µm µm IFOV6.02 mrad horizontal resolution2 km (nadir) swath width720 km

21 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer D two flow radiative transfer program –Atmospheric absorption / transmission: Water vapour continuum Line absorption:k = S(T). f(l,p,T) water vapour, N 2, CO 2, O 3, N 2 O, CH 4, CFC, HNO 3 Maritim aerosols –Surface emissivity Input parameters –572 vertical profiles of T(p) and w (p) from radiosondes (tropics and subtropics) –Ship measurements of surface temperature and windspeed –Radiometric parameters: response function, 0° < < 45°, NE T 1-D two flow radiative transfer program –Atmospheric absorption / transmission: Water vapour continuum Line absorption:k = S(T). f(l,p,T) water vapour, N 2, CO 2, O 3, N 2 O, CH 4, CFC, HNO 3 Maritim aerosols –Surface emissivity Input parameters –572 vertical profiles of T(p) and w (p) from radiosondes (tropics and subtropics) –Ship measurements of surface temperature and windspeed –Radiometric parameters: response function, 0° < < 45°, NE T Simulation Model

22 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 SST Algorithms Split window technique: Modela 0 [K] a 1 a 2 a 3 a 4 [K] Day Night Significance >99.9% Number of simulations >51000

23 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 ValidationValidation 93 moored and drifting buoys January - March 1998

24 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Validation Statistic Model T [K] [K] Day Night oceanic cool skin effect Cloudless situations Day2387 (12.5%) Night1241 (16.5%)

25 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Processing SST (A) START landmask test of spatial coherence for 3x3-field (pixel size 0.25° x 0.25°) |T - T centre | 1K OCEANLAND else CLOUD temperature threshold for 3.7µm-, 11µm-, 12µm-channel 17°C * f( ) T 35°C else CLOUD

26 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 T i - T i-1 > -1K END else CLOUD temperature difference of consecutive orbits i-1, i channel threshold for channel 1 and 2, channel difference day( sol 90°)night( sol >90°) 0 < T 11 - T K 0 < T T 11 3K 0 < L 1 < 5 0 < L 1 < 2 0 < L 2 < 1 0 < L 2 < < L 2 /L 1 < < L 2 /L 1 < 5 L in mW cm -2 µm -1 RETRIEVE SST and statistical parameters (,N)

27 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 Global SST Analysis April 1998 Field of temperature difference between means of SST in 30 days and 5 days

28 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 = 0.6K Methodology: i : index of neighbouring pixel (4° x 4°) d : distance to neighbouring pixel Statistic:mean of difference between true and interpolated value standard deviation (algorithm + interpolation) no systematic error Interpolation Method

29 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003 SST 23 th week 1998 (June) June 1998

30 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003

31 TaTa e ( ) TsTs s H Von der Atmosphäre aufwärts emittierte Strahlung: Die Gesamtstrahldichte am Oberrand der Atmosphäre ist dann: Emittierte Strahlung Oberfläche, transmittiert zum Oberrand Abwärtsemission der Atmosphäre, reflektiert an der Oberfläche und transmittiert zum Oberrand Aufwärtsemission der Atmosphäre Achtung: Oberflächenemissivität hängt von Temperatur, Salzgehalt und Rauhigkeit der Oberfläche ab… (Dies ist auch die Strahlung, die die Atmosphäre abwärts emittiert.)

32 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003

33 ATSR On-board blackbodies Independent atmos c. correction based on radiation transfer model. Uses dual view Multiple tests for cloud detection Requires in situ skin validation Approaches to SST recovery from space AVHRR/Pathfinder Empirical multi- spectral model with bias adjustment to match buoy measured T bulk Requires in situ calibration On-board blackbody Multiple tests for cloud detection Procedures Sensor calibration Atmospheric correction Cloud detection Skin-bulk model Microwave radiometry End-to-end multi- frequency empirical algorithm. Allows for: sea state, atmosphere liquid water, viewing geometry and salinity. T bulk TbTb S TSTS bulk or skin SST for calibration

34 Sommer 2003 Satellitenmeteorologie - Sommer 2003

35 A real lecture…lecture


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