sommer 2003 satellitenmeteorologie - sommer 2003 vos or soo drifting or moored buoy research vessel...

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003

VOS or SOO drifting or moored buoy

researchvessel

Polar-orbitinginfra-red radiometer

Polar-orbitingmicrowaveradiometer

Geostationary orbitInfra-red radiometer

Platforms for Measuring SSTPlatforms for Measuring SST

VOS = Voluntary observing shipSOO = Ship-of-opportunity


Measuring SST: Sampling issuesMeasuring SST: Sampling issuesI nstrument Spatial

samplingTime

samplingDepth sampling Performance

In SituResearch vessel Precise, very

sparseContinuous Tbulk at all z

TS

<0.1 K0.1 K

Buoy Distributed,sparse

1 hr - 1 day Tbulk at z = 0.3 - 1.5m(uncertain)

0.1 K

Voluntary observing shipreports

Track-limited,sparse

1 day Tbulk at c.w. intake z = 1-7m

0.5 K

Ship-of-opportunity,autonomous sensors

Track-limited,sparse

1 hr T at z = 1-7mTS

0.1 K0.1 K

SatellitePolar orbit infra-red

radiometerGlobal; 1 km,cloud-limit

12 hr TS (z ~ 10 m) 0.1K - 0.5 K

Polar-orbit micro-waveradiometer

Global; 50 (20?)km

12 hr - 2 days TS (z < 1mm) 0.5K-1.0 K

Geostationary orbit I-Rradiometer

45S - 45N; 2-6km, cloud

30 min TS (z ~ 10 m) 0.3-0.5 K


Processes affecting SST MeasurementProcesses affecting SST Measurement

Procedures

Sensor calibration

Atmospheric correction

Clouddetection

Skin-bulkmodel

TS +(1-)Tsky

1mm

10 cm

5 m

?

Cloud

Processes

Detector, transducer,amplifier, digitiser

Surface emissivityeffects

Scattering & absorptionby stratospheric dust

Absorption byWater vapour, etc.

Thermal microlayer

Diurnal thermocline

S

Tb

Digital signal, S

T.o.a. brightnesstemperature (radiance), Tb

Bulk temperature, Tbulk

Water-leavingradiance

Skin temperature, TS

Temperature MeasureFlow of information

TS

Tbulk

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003Aus 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 1 2 3 45

AVHRR KanäleKanal Wellenlängem 1 0.58-0.68 2 0.72-1.10 3 3.55-3.93 4 10.3-11.3 5 11.5-12.5


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 10.5-12.5 m Fenster ist breit genug für zwei Kanäle.Und: Kanal 5 des AVHRR zeigt eine höhere Absorption als Kanal 4.

Ch4 Ch5

Transmission

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003Wird TB mit steigendem Wasserdampfgehalt größer oder kleiner?

Einfachster Fall: Oberfläche + eine homogene Atmosphärenschicht:

Ts, es=1

Ta, d=0.9

daraus wird,

oder,

10% der von der Oberfläche emittierten Strahlung wird durch die “kühlere” vom Wasserdampf emittierte Strahlung ersetzt.

TB nimmt ab (bestimmt durch Ts , Ta, und d)

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003Wie beeinflusst der Wasserdampf die spektrale Änderung von TB?

Wenn wir den Wassergehalt verdoppeln, was ändert sich?

doppelt so groß, (4)=0.102, (5)=0.210und, d (4) =0.90, d (5) =0.81

Weil Ts und Ta sich nicht mit der Wellenlänge ändern, ergibt sich… vs

Ts, es=1

Ta, d (4) =0.95, d (5) =0.9 (4)=-ln0.95=0.051 , (5)=0.105 (für Nadir Blick)


Wie geht es richtig?

Wir messen zwei Strahldichten bei zwei Wellenlängen:

)1)(()()()1)(()()(

2222222

1111111

aSB

aSB

TBTBTBLTBTBTBL

Was dürfen wir für die benachbarten Wellenlängen annehmen?

Die Gewichtsfunktionen sind sehr ähnlich, deswegen ist Ta bei der emittiert wird nahezu gleich. Ta variiert weniger als 1K (Prabhakara, 1974).

Die Oberflächenemissivität ist nahezu gleich und damit ist Ts auch gleich.

Und wie wir schon wissen, Transmissionsunterschiede werden nur durch Wasserdampf hervor gerufen.


Wenn W der über die Säule integrierte Wasserdampf ist dann ist:

)exp(

Ws

Wir haben jetzt also 2 Messungen (L1 und L2) und 3 Unbekannte (Ta, TS, W), häh?Um das zu lösen müssen wir die Wellenlängenabhängigkeit beseitigen.

Weil alle Gewichtsfunktionen an der Oberfläche ihr Maximum haben, sind Ts, TB1, TB2 dicht an Ta. Entwicklung der Planckfunktion um Ta:

)()()()( aTT

a TTTTBTBTB

a

Aufschreiben für beide Wellenlängen und eliminieren von (T-Ta) ergibt eine Gleichung, die Strahlungsänderungen bei einer Wellenlänge zu Änderungen in der anderen in Relation setzt:

))()((//)()( 11

1

222 aa TBTB

TBTBTBTB


Verwenden, um B2(TB2) und B2(TS) zu approximieren:

))()((//)()( 121

1

2222 aBaB TBTB

TBTBTBTB

))()((//)()( 11

1

222 aSaS TBTB

TBTBTBTB

und

Einsetzen in Gleichungen für L1 = B1(TB1) und L2 = B2(TB2)

)1)(()))()((//)((

))()((//)(

22111

222

1211

22

aaSa

aBa

TBTBTBTBTBTB

TBTBTBTBTB

Auflösen: )1)(()()( 212121 aSB TBTBTB

Gleichung für B1(TB1) nutzen, um Ta zu eliminieren:

)(:

1))(()(

211

21

1

21111

BBBS

BS

TTTTauchoder

mit

TBLLTB


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):

WWss 1)exp(

Und daraus ergibt sich dann:

12

1

ss

s


Das Prinzip eines SST AlgorithmusDas 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.

Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003Es 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, ODERb. 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.


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.


Table 2. Atmospheric Sources of Errorfrom Stewart, Methods of Satellite Oceanography

3.7 µm wavelength 10.5 µm wavelengthundetected

clouds 0-10 K undetected clouds 0-10 K

aerosols 0.3-5 K water vapor 1-8 K

water vapor 0.3-1 K aerosols 0.1-2 K

other gases 0.1 K reflected sky 0.2-0.7 K

other gases 0.1 K

AVHRR Kanal 4

http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/ocean/ocean_lectures/sst_lecture/Part_2/2_4.htm

http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/ocean/ocean_lectures/sst_lecture/Part_2/2_cont.htm

http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/ocean/ocean_lectures/sst_lecture/Part_2/2_6.htm


MCSST - Multichannel Sea Surface TemperatureMCSST - Multichannel Sea Surface Temperature

Die wahre SST ist ein lineares Komposit aus Kanal 4 und 5 des AVHRR, d. h.

Ts = A + B T4 + C T5

A, B, und C werden empirisch bestimmt, also:

Messe TS (Schiff, Boje, etc.) an vielen Ortengleichzeitig mit Messungen von T4 und T5 (AVHRR)

Bestimme statistisch A, B, und C durch z. B. durch Regression

Ts(x) = A + B T4(x) + C T5(x)

Ts(x) = D + E T3(x) + F T4(x) + G T5(x)

Nachts kann man auch noch Kanal 3 (3.7m Wellenlänge) benutzen(Warum?)


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 KanäleKanal Wellenlänge m

1 0.58-0.682 0.72-1.103 3.55-3.934 10.3-11.35 11.5-12.5

Achtung: Unterscheidung zwischen der so genannten BULK SST und der Skin SST ist notwendig!


Radiative Transfer Model

VariableInput Parameter

Material Constants Instrument Parameters

Simulated Measurements

Formulation ofRetrieval Models

Statistical

InferenceInterpretation

Comparison

Means ofComparison Satellite Data

Application

OperationalApplication

NewApproach

Bad Good

Alternative zu Bodenmessungen ist ein Strahlungsmodell:


Tropical Rainfall Measuring Mission TRMMTropical Rainfall Measuring Mission TRMM• Joint project of NASA (USA) and NASDA

(Japan)• Mission for 3 years, launch: 27th November

1997

• near circular orbit in 350 km and inclination of 35°

• ca. 96 min for one orbitVisible and InfraRed Scanner VIRS:channel 1 0.63 µm

2 1.6 µm3 3.75 µm4 10.8 µm5 12.0 µm

IFOV 6.02 mradhorizontal resolution 2 km (nadir)swath width 720 km


•1-D two flow radiative transfer program– Atmospheric absorption / transmission:

• Water vapour continuum• Line absorption: k = S(T) . f(l,p,T)

water vapour, N2, CO2, O3, N2O, CH4, CFC, HNO3

• 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° , NET

Simulation ModelSimulation Model


SST Algorithms

)1(sec)( )()(

:Night)(

)1(sec)( :Day

12114

12113117.32

7.3100

212113

12112

11100

TTaTTaTTa

TaaTTTa

TTaTaaT

Split window technique:

Model a0 [K] a1 a2 a3 a4 [K]

Day -2.73 1.013 0.428 0.691 0.31

Night -4.60 1.016 -0.747 1.970 -0.623 0.38

Significance >99.9% Number of simulations >51000


ValidationValidation

93 moored and drifting buoys January - March 1998


Validation StatisticValidation Statistic

Model T [K] [K]Day -0.14 0.68Night -0.36 0.69

oceanic cool skin effect

Cloudless situationsDay 2387 (12.5%)Night 1241 (16.5%)


Processing SST (A)Processing SST (A)START

landmask

test of spatial coherence for 3x3-field (pixel size 0.25° x

0.25°)

|T - Tcentre| 1K

OCEAN LAND

else CLOUD

temperature threshold for 3.7µm-, 11µm-, 12µm-channel

17°C * f() T 35°C else CLOUD


Ti - Ti-1 > -1K

END

else CLOUD

else CLOUD

temperature difference of consecutive orbits i-1, i

channel threshold for channel 1 and 2, channel difference

day(sol90°) night(sol>90°) 0 < T11 - T12 3.5K 0 < T3.7 - T11 3K

0 < L1 < 5 0 < L1 < 2 0 < L2 < 1 0 < L2 < 0.5 0.05 < L2/L1 < 0.2 0.1 < L2/L1 < 5

L in mW cm-2 µm-1

RETRIEVE SST and statistical parameters (,N)


Global SST Analysis April 1998Global SST Analysis April 1998

Field of temperature difference between means of SST in 30 days and 5 days


i i

i ii

ddT

T 2

2,0

0

0

= 0.6K

Methodology:

i : index of neighbouring pixel (4° x 4°)

d : distance to neighbouring pixel

Statistic: mean of difference betweentrue and interpolated value

standard deviation(algorithm + interpolation)

no systematic error

Interpolation MethodInterpolation Method


SST 23th week 1998 (June) June 1998


Ta

e()

Ts s

HVon 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.)


ATSR

On-boardblackbodies

Independent atmosc. correction based on radiation transfer model. Uses dual view

Multiple tests for cloud detection

Requires in situ skin validation

Approaches to SST recovery from spaceApproaches to SST recovery from space

AVHRR/Pathfinder

Empirical multi-spectral model with bias adjustment to match buoy measured Tbulk

Requires in situcalibration

On-boardblackbody

Multiple tests for cloud detection

Procedures

Sensor calibration

Atmospheric correction

Clouddetection

Skin-bulkmodel

Microwaveradiometry

End-to-end multi-frequency empirical algorithm.Allows for:sea state, atmosphere liquid water, viewing geometry and salinity.

Tbulk

Tb

S

TS

bulk or skin SST for

calibration


A real lecture…

http://see.gsfc.nasa.gov/edu/SEES/ocean/oc_class.htm

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