Bild: ESA - AOES Medialab Ergebnisse der Lindenberger Metop/IASI - Validierungskampagnen Metop-A: Start Oktober 2006 IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) 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 Darmstadt 4 Institut für Geophysik und Meteorologie, Universität zu Köln, Zülpicher Straße 49a, 50674 Köln Bild: ESA - AOES Medialab

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

Ziele und Methoden 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 2007 2008 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 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 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 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 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 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, 1295 - 1307 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 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium

Composite-Profiling Aus rund 500.000 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. 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 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. 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 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium

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

Trocken-Bias RS92 2007 2008 06./07.10.2007 09./10.02.2008 Routine zusätzliche Kampagnenaufstiege Wechsel zur RS92 mit verspiegelten Kontakten des Feuchtesensors (Vaisala: „Improved coating of humidity sensor contacts“), Produktionsbeginn September 2006. Neue RS92-Version 09./10.02.2008 Neue RS92-Version 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 2010. EUMETSAT-Auftrag an MOL-RAO Winter 2009/2010 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium

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

Spektrenvergleiche 227 zusätzliche 6.1% 19.8% Teilaufgabe 3: Auswahl von Überflugereignissen mit geringer zeitlicher Änderung der Temperatur- und Feuchteprofile Ergebnis: Für Spektrenvergleiche stehen nur wenige Fälle zur Verfügung. 227 zusätzliche Radiosondierungen zum Metop Überflug in 2007+2008 „nahezu stationär“ 6.1% nahezu wolkenfrei (AVHRR) innerhalb eines 50 km Umkreises 19.8% N=8 3.5% DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium

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

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

Spektrenvergleiche Keine Er-klärung Problem: die größeren Differenzen für Fälle mit kleinem Zenitwinkel (Modellproblem? Problem IASI?) bleiben unerklärlich. „Krumme Sondenflugbahn“ Keine Er-klärung 2007-08-19 08:40 Strahlungskorrektur zu stark? 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 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 DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium

Vielen Dank für die Geduld. 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 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) 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 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! 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. 2007 Kivi et al. 2009 Bezug zur weiterentwickelten RS92! DACH 2010 Bonn Stiller, B. u.a. Meteorologisches Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium