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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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 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 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)
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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.
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
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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
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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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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.
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 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.
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
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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?)
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 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 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!
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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:
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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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
•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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
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ValidationValidation
93 moored and drifting buoys January - March 1998
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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%)
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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
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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)
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Global SST Analysis April 1998Global SST Analysis April 1998
Field of temperature difference between means of SST in 30 days and 5 days
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
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SST 23th week 1998 (June) June 1998
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Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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.)
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Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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
Satellitenmeteorologie - Sommer 2003Sommer 2003
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