op#mized)tropical)cyclone) retrievals)from)ascat,)oceansat

24
Op#mized Tropical Cyclone Retrievals from ASCAT, OceanSAT2 and QuikSCAT Bryan W. S#les, Alex Fore, W. Lee Poulsen, SvetlaHristova Veleva Jet Propulsion Laboratory, California Ins#tute of Technology Michael J. Brennan Na#onal Hurricane Center, NOAA Copyright, 2014, all rights reserved. 6/2/14 IOVWST Mee#ng, Brest, France 1

Upload: others

Post on 16-Oct-2021

10 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Op#mized  Tropical  Cyclone  Retrievals  from  ASCAT,  OceanSAT-­‐2  

and  QuikSCAT  

Bryan  W.  S#les,  Alex  Fore,  W.  Lee  Poulsen,  Svetla-­‐Hristova  Veleva  Jet  Propulsion  Laboratory,  California  Ins#tute  of  Technology  

 

Michael  J.  Brennan  Na#onal  Hurricane  Center,  NOAA  

Copyright,  2014,  all  rights  reserved.  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   1  

Page 2: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Outline  •  Background  descrip#on  of  technique  •  Review  of  Ku-­‐band  neural  network  performance    

–  QuikSCAT/OceanSAR-­‐2  data  set  descrip#on  –  Why  does  it  work?  

–  For  more  detal  see:  S#les  et  al,  “Op#mized  Tropical  Cyclone  Winds  from  QuikSCAT:  A  Neural  Network  Approach,”  IEEE  TGARS.  In  press  DOI  10.1109/TGRS.2014.2312333,  available  online  at  hap://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6804024  

•  ASCAT  Neural  Networks  and  Results  –  Comparison  with  H*WINDS  for  different  networks  and  training  regimes  

•  Neural  Network  Derived  ASCAT  GMF    •  Conclusions  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   2  

Page 3: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Background  •  The  neural  network  determines  correc#ons  to  the  MLE  speed  as  a  func#on  of  –  SRAD  rain  rate  (for  QuikSCAT,  OceanSAT-­‐2)  –  Backscaaer    

•  from  two  different  polariza#ons,  two  different  azimuths,  and  two  different  spa#al  resolu#ons    (2  X  2  X  2  =  8  values  for  QuikSCAT/OceanSAT-­‐2)  

•  From  3  different  incidence  angles  (  3  values  for  ASCAT)  –  Viewing  geometry    

•  cross  track  distance  for  Ku-­‐band  scaaerometers  •  Incidence  angles  for  ASCAT  

– MLE  speed  –  Passive  microwave  info  from  scaaerometer  noise  channel  

•  Brightness  Temperature  (OceanSAT2)  •  QRAD  rain  rate  (QuikSCAT)  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   3  

Page 4: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

QuikSCAT  Data  Set  Descrip#on  •   Improved  QukSCAT  tropical  cyclone  (TC)  wind  speed  fields  

– 12,476  storm  scenes  over  12  years  – Validated  vs.  hurricane  analysis  fields  and  aircram  overflight  measurements.  

•   Problem:  Scaaerometer  winds  are  corrupted  by  rain  and  use  empirical  retrievals  not  op#mized  for  high  winds.  

•   Solu#on:  Neural  network  retrieval  method  trained  specifically  for  TC  winds.    •   Developing  similar  datasets  for  the  ASCAT  (ESA)  scaaerometers.      

See http://tropicalcyclone.jpl.nasa.gov

Hurricane  Ivan  23:37  UTC  11  Sept.  2004  

 improved     nominal  

• improved max QuikSCAT winds. • nominal max QuikSCAT winds • NOAA best track

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   4  

Page 5: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Valida#on:  OceanSAT-­‐2  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   5  

Page 6: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

How  does  it  work?  •  The  resultant  mul#-­‐dimensional  mapping  is  hard  to  visualize.  

•  The  next  few  slides  exemplify  how  this  works  by  – Showing  Ku-­‐band  sigma-­‐0  is  sensi#ve  to  winds  from  20-­‐40  m/s  

–   Examining  a  specific  case  of  MLE  speed  =  24-­‐26  m/s  and  CTD  =  400-­‐450  km  

• We  examine  how  the  ANN  u#lizes  three  parameters  of  interest  ,  Copol  ra#o,  sum  sigma-­‐0,  and  SRAD  rain  rate  (backup  slides  if  #me  allows).  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   6  

Page 7: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Ku-­‐band  NRCS  is  sensi#ve  to  wind  speed  in  20-­‐40  m/s  range.  

•  In  rainfree  condi#ons  (rain  impact  quan#ty  <=  2.5),  QuikSCAT  HH  pol  46  degree  incidence  NRCS  values  are  sensi#ve  to  wind  speed  and  direc#on  in  the  20-­‐40  m/s  range.  

•  QuikSCAT  VV  54  degree  incidence  values  have  less  sensi#vity.  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France  

HH  pol,  46°  Inc.   VV  pol,  54°  Inc.  

(Blue,  Green,  Red)  =  (20,30,40)  m/s  +  or  -­‐10%  H*WIND      

7  

Page 8: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Here’s  how  the  ANN  can  tell  the  difference  

MLE  Too  Low  

MLE  Too  High  

High  backscaaer  Co-­‐polariza#on  HH/VV  ra#o  tends  to  indicate  high  MLE  winds.    

Counts  

Agrees  with  Neural  Network  92%  of  the  #me    

High  sum  of  all  backscaaer    tends  to  indicate  low  MLE  winds.    

Using  the  two  parameters  one  can  mimic  the  ANN’s  decision  to  raise  or  lower  the  MLE  wind.  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   8  

Page 9: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

ASCAT  NN  Methodology  •  First  extended  JPL  MLE  wind  retrieval  method  to  ASCAT.  

–  Overall  RMS  direc#onal  difference  from  ECMWF  is  ~20  degrees  for  winds  >  3  m/s;  speed  RMS  <  2  m/s  

•  Compared  with  H*WIND  in  2011  and  2012  North  Atlan#c  Tropical  Cyclones  –  For  winds  over  20  m/s  ECMWF  RMS  direc#onal  difference  from  

H*Wind  ~  20  degrees  –  ASCAT  MLE  winds  RMS  direc#onal  difference  from  H*WIND  is  90  

degrees.  –  ECMWF  and  ASCAT  MLE  wind  speeds  are  low  compared  to  H*WIND  

•  Trained  Several  Neural  networks  –  Speed  es#ma#on  from  ASCAT  NRCS  and  incidence  angle  –  Speed  es#ma#on  from  ASCAT  NRCS,  incidence  angle,  and  rela#ve  

azimuth  w.r.t  ECMWF  –  GMF  es#ma#on  (input=speed,rela#ve  azimuth,  incidence;  output  =  

NRCS  in  dB)  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   9  

Page 10: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Incidence  Angles  Backscaaer  values  ASCAT  MLE  speed  

Speed  Neural  Net  Trained  on  2011-­‐2012    

ASCAT/H*WIND  data  

OUTPUT  

SPEED  

Diagram  of  ASCAT  Networks  

Op#on:ECMWF  rel.  azimuth  Incidence  Angle  

H*WIND  speed  

GMF  Neural  Net  Trained  on  2011-­‐2012    

ASCAT/H*WIND  data  

OUTPUT  

NRCS  

cos(H*WIND  rel.  azimuth)  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   10  

Page 11: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Training  and  Valida#on  Sets  •  Wind  ground  truth  H*WIND  in  2011  and  2012  

–  Very  few  wind  sample  above  30  m/s  that  have  ASCAT  co-­‐loca#ons.  

–  Large  por#on  of  highest  winds  from  Sandy.  •  Highest  resolu#on  available  ASCAT  NRCS  was  binned  in  

12.5  km  cells.  •  Breaking  up  data  at  orbit  boundaries  between  training  and  

valida#on  sets  led  to  poor  performance.  –  Needed  to  break  up  randomly  at  WVC  level  to  get  sufficient  sta#s#cs  to  train.  

•  Need  good  sampling  over  full  3-­‐D  space  of  speed,  incidence,  and  rela#ve  azimuth  space.  

•  Indicates  not  enough  training  data.  •  Should  revisit  problem  with  larger  data  set.  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   11  

Page 12: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Valida#on  ASCAT  Training  Set  and  Test  Set  from  disjoint  orbits.  

Test  Set    RMS=3.61  m/s  

Test  Set    RMS=5.10  m/s  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   12  

Page 13: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Valida#on  ASCAT  –  Training  Set  and  Test  Set  from  disjoint  wind  vector  cells,  but  not  orbits.  

Test  Set    RMS=4.22  m/s  

Test  Set    RMS=3.27  m/s  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   13  

Page 14: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Valida#on  ASCAT  –  Training  Set  and  Test  Set  disjoint  wind  vector  cells,  using  ECMWF  rela#ve  azimuth.  

Test  Set    RMS=2.82  m/s  

Test  Set    RMS=4.29  m/s  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   14  

Page 15: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Hurricane  Sandy  27-­‐Oct  2012  UTC  02:39,    Max  Speed=  Best  Track  63  knots  (32.4  m/s),  ANN    65.7  knots(33.8  m/s)  

Not  Using  ECMWF  direc#on  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   15  

Page 16: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Hurricane  Sandy  27-­‐Oct  2012  UTC  02:39,    Max  Speed=  Best  Track  63  knots  (32.4  m/s),  ANN    69.7  knots(35.9  m/s)  

Using  ECMWF  direc#on  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   16  

Page 17: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Neural  Net    GMF  –  40  degrees  incidence  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   17  

Page 18: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

NN  GMF  Residual  Error  Sta#s#cs  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   18  

Metric   All   H*WIND  speed>20  

H*WIND  speed>25  

H*WIND  speed>30  

RMS     2.34  dB   1.12  dB   1.24  dB   1.62  dB  

Median  Absolute  Error  

1.15  dB   0.65  dB   0.75  dB   0.95  dB  

Number  of  WVCs  

163,426*   18,031*   5,172*   706*  

Number  of  ASCAT  orbits  

105*   47*   28*   13*  

*  All  numbers  are  for  valida#on  set,  training  is  same  size  as  valida#on  set  

Page 19: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

NN  GMF  40  deg,  20  m/s  speed  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   19  

Page 20: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

NN  GMF  40  deg,  25  m/s  speed  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   20  

Page 21: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

NN  GMF  40  deg,  30  m/s  speed  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   21  

Page 22: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Summary  •  Neural  networks  have  been  developed  to  obtain  accurate  tropical  cyclones  winds  from  

3  ocean  wind  scaaerometer  instruments.  –  Ku-­‐band  (QuikSCAT  and  OceanSAT-­‐2)  data  available  at  

hap://tropicalcyclone.jpl.nasa.gov  •  QuikSCAT  ANN  technique  has  been  thoroughly  validated  and  applied  over  en#re  10  

year  mission  to  all  known  storms  that  achieved  at  least  tropical  storm  status  during  their  life#mes.  –  Publica#on  accepted  in  IEEE  Trans.  Geosci.  

•  Ku-­‐band  technique  relies  on  autonomous  brightness  temperature  measurements  from  rain  channel  and  other  rain-­‐dependent  backscaaer  signatures  (e.g.  copol  ra#o)  to  correct  MLE  winds  for  substan#al  rain  contamina#on.  

•  C-­‐band  technique  is  promising  but  has  remaining  challenges  –  V-­‐pol  C-­‐band  has  reduced  sensi#vity  at  high  winds  –  Needs  more  training  data.  –  Direc#onal  informa#on  is  very  important  for  determining  wind  speed  in  high  

winds.  •  Future  C-­‐band  scaaerometers  should  consider  adding  H-­‐pol  to  improve  sensi#vity  at  

high  winds!  

 

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   22  

Page 23: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Reference  

•  Details  of  QuikSCAT  ANN  technique,  its  valida#on,    and  how  to  obtain  ten  years  of  global  QuikSCAT  tropical  cyclone  wind  speed  data  can  be  found  in:  –  B.  W.  S#les,  R.  E.  Danielson,  W.  L.  Poulsen,  M.  J.  Brennan,  S.  Hristova-­‐Veleva,  T.  J.  Shen,  and  A.  G.  Fore  ,  “Op#mized  Tropical  Cyclone  Winds  from  QuikSCAT:  A  Neural  Network  Approach,”  accepted  for  publica#on  in  IEEE  Transac#ons  on  Geoscience  and  Remote  Sensing.  DOI  10.1109/TGRS.2014.2312333  

– Data  found  at  hap://tropicalcyclone.jpl.nasa.gov  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   23  

Page 24: Op#mized)Tropical)Cyclone) Retrievals)from)ASCAT,)OceanSAT

Acknowledgements    

•  The  work  reported  here  was  performed  at  the  Jet  Propulsion  Laboratory,  California  Ins#tute  of  Technology,  and  at  the  Na#onal  Hurricane  Center  under  contract  with  the  Na#onal  Aeronau#cs  and  Space  Administra#on.  – This  work  described  in  this  presenta#on  is  funded  by  NASA’s  Ocean  Vector  Winds  program.  

– The  website  portal  used  to  distribute  the  data  set  is  part  of  a  program  funded  by  NASA’s  Hurricane  Science  Research  program.  

6/2/14   IOVWST  Mee#ng,  Brest,  France   24