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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.

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1 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, Tharandt 3 EUMETSAT, Eumetsat-Allee 1, Darmstadt 4 Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln, Zülpicher Straße 49a, Köln Ergebnisse der Lindenberger Metop/IASI - Validierungskampagnen Bild: ESA - AOES Medialab IASI Metop-A: Start Oktober 2006 IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)

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

3 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ziele und Methoden EUMETSAT beauftragte MOL/RAO (DWD) zur Durchführung einer Validierungsmesskampagne vom Eine Fortsetzung mit geänderten Rahmenbedingungen gab es 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

4 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ziele und Methoden nur bei wolkenfreien Szenen Zusätzliche Radiosondenaufstiege zur Metop-Überflugszeit X Start: X-60 min + X-5 min Start: X-15 min 2x täglich nur bei wolkenfreien Szenen Sommer 2007: 290 Zusatzauf- stiege bei 368 Routinestarts 2008: 74 Zusatzaufstiege

5 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ziele und Methoden Fernsondierung Beispiele für beteiligte Systeme Mikrowellenprofiler Wolkenradar Ceilometer LD40 Raman-LIDAR Brewer Spektrometer Whole Sky Imager Precision Filter Radiometer GPS-Empfänger

6 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ziele und Methoden Klassifizierung: Geringe zeitliche Änderung der Temperatur- und Feuchteprofile, abgeleitet aus Radiosondierungen, kontrolliert mit Messungen von Mikrowellenprofiler und LIDAR

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

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

9 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ergebnisse und Erfahrungen (Abb. b vergrößert) deutlicher Bias in der Feuchtemessung (hier relative Feuchte) in der oberen Troposphäre beim Vergleich IASI - Radiosonde 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

10 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium 2 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,

11 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Composite-Profiling Beispiel für ein mi- nütlich aufgelöstes synthetisches IPT- Profil, im Vergleich mit Ausgangsdaten + Metop/IASI-Profil

12 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Composite-Profiling biasfrei Aus rund Einzelprofilen gewonnenen Erfahrungen zeigen, dass (a) die vom Mikrowellenprofiler gemessenen Helligkeitstemperaturen unbedingt biasfrei 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.

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

14 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium 3 Trocken-Bias RS92 Der strahlungsbedingte Trocken-Bias der RS92 Feuchtemessung bei geringer werdendem Luftdruck ist aus zahlreichen Instrumentenvergleichen bekannt, hier Bezug: Vömel et al 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, Radiation dry bias of the Vaisala RS92. J. Atmos. Oceanic Technol.,

15 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Korrektur für Strahlungsfehler der relativen Feuchtemessung: Vömel et al c rad (p) = ln(p)² ln(p) c cal (T) Tabellenwerte zwischen 0.98 und 1.13, empirisch aus Nachtaufstiegen abgeleitet Trocken-Bias RS92 Kivi et al c rad (p) = ln(p)² ln(p) Referenz: Kivi, R., Kujanpää, J., Aulamo, O., Heikkinen, P., Hassinen, S., Calbet, X., Montagner, F., Vömel, H., Observations of water vapor profiles over Northern Finland by satellite and balloon borne instruments, In Proceedings: 2009 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, September 2009, Bath, UK, EUMETSAT P.55, 2009.

16 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Trocken-Bias RS92 verspiegelten Kontakten Routine zusätzliche Kampagnenaufstiege Wechsel zur RS92 mit verspiegelten Kontakten des Feuchtesensors (Vaisala: Improved coating of humidity sensor contacts), Produktionsbeginn September / / / Neue RS92-Version

17 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium 4 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 EUMETSAT- Auftrag an MOL-RAO Winter 2009/2010

18 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche 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 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 CFH CFH ECMWF RS92 Abb. zeigt Messungen in Sodankylä (Finnland) !

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

20 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche Teilaufgabe 3: Auswahl von Überflugereignissen mit geringer zeitlicher Änderung der Temperatur- und Feuchteprofile Ergebnis: Für Spektrenvergleiche stehen nur wenige Fälle zur Verfügung zusätzliche Radiosondierungen zum Metop Überflug in nahezu wolkenfrei (AVHRR) innerhalb eines 50 km Umkreises 19.8% 19.8% nahezu stationär 6.1% 6.1% N=8 3.5%

21 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche LBLRTM (in der Version 11.7) Teilaufgabe 4: Modellläufe Nutzung des von der Atmospheric and Environmental Research Inc. (AER) entwickelten Line-by-Line- Strahlungstransfermodells 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 )

22 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche IASI Fußpunkt 52.26° 14.55° Zenitwinkel 17.72° LBLRTM 11.7 Zenitwinkel 17.72° T, rH-Profil aus Radiosondierung und ECMWF

23 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche Wellenzahlbereich 1500 bis 2000 cm -1 und bessere Auflösung Verwendung korrigierter Radiosondenprofile

24 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche Vormittagsüberflüge Abendüberflüge Erste Spektrenvergleiche mit unkorrigierten Radiosondenprofilen ergaben deutliche Unterschiede zwischen Tag und Nacht

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

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

27 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Spektrenvergleiche Problem: die größeren Differenzen für Fälle mit kleinem Zenitwinkel (Modellproblem? Problem IASI?) bleiben unerklärlich. Krumme Sondenflugbahn :40 Strahlungskorrektur zu stark? Keine Er- klärung

28 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium 5 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 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

29 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Vielen Dank für die Geduld.

30 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ergebnisse und Erfahrungen Datensätze mit zeitlich verdichteter Radiosondierung ermöglichten spezielle Auswertungen hier: wie groß ist die Differenz des Flugweges von innerhalb einer Stunde verstarteter Radiosonden (mitte und rechts) Abb. links: Versatz zum Startort

31 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ergebnisse und Erfahrungen hier: Tagesgänge von Lufttemperatur, relativer Feuchte und spez. Feuchte in verschiedenen Höhen (als Abweichung zum Tagesmittel)

32 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Ergebnisse und Erfahrungen Datensätze mit zeitlich verdichteter Radiosondierung ermöglichten spezielle Auswertungen hier: Zusammenhang zwischen Änderungen von T, rH, s innerhalb einer Stunde ermittelt von zwei aufeinander folgenden Radiosondierungen und aus Messungen des Mikrowellenprofilers für verschiedene Höhen

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

34 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium Trocken-Bias RS92 Korrektur für Strahlungsfehler der relativen Feuchtemessung: Vömel et al Kivi et al Bezug zur weiterentwickelten RS92!


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