Contributions to Estimating Top-of-Atmosphere Radiative Fluxes using EarthCARE’s Broadband Radiometer

Abstract

This work contributes in various ways to the estimation of top-of-atmosphere (TOA) shortwave (SW) and longwave (LW) fluxes and their uncertainties, which are based on BBR radiance measurements onboard the upcoming EarthCARE mission.

We assess a so-far unaccounted sampling uncertainty of BBR-measured SW and totalwave (TW) radiances assembled towards ∼100 km² assessment domains. Uncertainties arise from irregular sampling through ∼(0.6)km² footprints within domains and a naturally heterogeneous radiance field. Sampling becomes increasingly irregular as BBR instrument performance is reduced to conserve mission lifetime. We evaluate uncertainties using Landsat 8 imagery and repeated mimicry of BBR nadir sampling under various levels of instrument performance, and measure how far BBR-obtained radiances depart from actual mean radiances over domains. We observe that uncertainty in SW and TW radiances increases linearly with radiance heterogeneity and near-linearly with reduced instrument performance. We find that the uncertainty of LW radiances, which are inferred from staggered SW and TW measurements, is particularly sensitive to instrument performance and can amount to twice the SW uncertainty – even though LW radiances are horizontally homogeneous within domains. In order to keep radiance uncertainties below a flux equivalent of 10 W/m², we recommend to reduce instrument performance no further than 25% of its nominal value.

We present an algorithm for the conversion of BBR-measured TOA SW radiances into TOA SW fluxes over clear-sky domains. We find a new representation of state-of-the-art CERES angular distribution models (ADMs). Through the use of additional geophysical variables - obtained from an aerosol optical depth climatology, ERA-20C reanalysis, and climatology of MCD43BGF surface bidirectional reflectance distribution function parameters - we unite spatially and temporally separate CERES ADMs towards new ADMs per surface type and BBR-perceived scattering direction. We show which geophysical parameters are important and how well artificial neural networks perform when using essential parameters. With the exception of domains containing fresh snow, we reproduce CERES estimates with an uncertainty of 2.7 – 4.0 W/m² . Fresh snow surfaces are hardly characterized by any of above parameters and that results in larger uncertainties of 8.3 – 14.6 W/m² .

We investigate whether the conversion of BBR-measured TOA SW radiances to fluxes above low-levels clouds is significantly sensitive to cloud microphysics and cloud-topped moisture. We generate new ADMs that account for cloud-top effective radii and cloud-topped water vapor by using CERES-MODIS observations and broadband simulations. We find that TOA SW anisotropy can vary by 2.9-8.0% due to extremes in cloud-top effective radii, and by 1.3-6.4% due to extremes in cloud-topped water vapor, while anisotropy uncertainty is 3.2-5.0%. Compared to state-of-the-art CERES ADMs, which lack these sensitivities, new radiance-to-flux conversions show differences of up 20 W/m² – especially for particularly small and large cloud-top effective radii (5 and 20 μm, corresponding to particularly strong and weak cloud-aerosol interaction, respectively). When applying ADMs to CERES cross-track measurements, which produce radiation budget estimates as a benchmark for global climate models, new ADMs produce TOA SW flux estimates 1-2 W/m² larger than CERES ADMs. We can attribute such flux biases in part to conditions of persistently small effective radii and low amounts of cloud-topped water vapor. This work therefore identifies additional factors impacting TOA SW anisotropy that future radiance-to-flux converting ADMs should consider to avoid sampling biases.

We introduce a new method of colocating individual measurements of SW radiances and corresponding flux estimates from BBR’s three views towards a common assessment domain. By using photon paths, produced by 3D Monte-Carlo radiative transfer simulations acting on active-passive retrievals of a cloudy atmosphere, we are able to colocate even under conditions of broken and semitransparent clouds where no obvious vertical level exists that current methods would use for colocation. Applied to a 5000 km frame based on A-Train satellite observations, we find that the use of photon paths improves colocation by 4% for cirrus clouds and 15% for broken cloud fields when compared against a colocation at cloud-top height level.

Once the EarthCARE mission is launched, the radiative closure assessment will compare BBR-based TOA flux estimates with simulated TOA fluxes, based on 1D or 3D radiative transfer simulations acting on active-passive retrievals of clouds and aerosols. By providing a better understanding of BBR-based TOA fluxes and their uncertainties, this work will improve the mission’s radiative closure assessment which will strengthen the science community’s understanding of the interaction among clouds, aerosols, and radiation.

Die vorliegende Arbeit leistet verschiedene Beiträge zur messgestützten Schätzung von Strahlungsflüssen am Oberrand der Atmosphäre sowie deren Unsicherheiten. Die Schätzungen basieren auf Strahldichtemessungen des BBR an Bord der geplanten Satellitenmission EarthCARE.

Wir untersuchen die Unsicherheiten von BBR-gemessenen Strahldichten im Nadir über 100km² großen Gebieten. Mögliche Unsicherheiten kommen durch die ungleichmäßige Erfassung (0.6km)² großer Ausleuchtbereiche innerhalb eines Gebietes und die natürliche horizontale Heterogenität des Strahlungsfeldes zustande. Ein gezieltes Herunterregeln der BBR-Leistung ermöglicht eine Verlängerung der Lebensdauer der Mission, resultiert allerdings in zunehmend ungleichmäßiger Erfassung der Strahlungsfeldes. Für diese Arbeit werden die Unsicherheiten durch Simulation verschiedener BBR-Leistungslevel an räumlich hochaufgelösten Landat-8-Messungen abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen, inwieweit BBR-basierte Strahldichten von eigentlichen Gebietsmitteln abweichen. Unsicherheiten kurzwelliger und totalwelliger (kurzwelliger plus langwelliger) Strahldichten nehmen linear mit der horizontalen Heterogenität des jeweiligen Strahlungsfeldes innerhalb der Gebiete zu und steigen nahezu linear mit reduzierter Leistung an. Wir zeigen weiterhin, dass langwellige Strahldichten, die von räumlich versetzten kurz- und totalwelligen Messungen abgeleitet werden, eine deutlich höhere Sensitivität gegenüber der BBR-Leistung aufweisen. Es zeigt sich eine Verdopplung der Unsicherheit von langwelligen gegenüber kurzwelligen Strahldichten, sogar wenn Gebiets-internelangwellige Strahlungsfelder horizontal homogen sind. Um eine Unsicherheit resultierender Strahlungsflüsse von unter 10 W/m² zu gewährleisten, empfehlen wir die Leistung um nicht mehr als 25% vom nominellen Wert zu reduzieren.

Wir präsentieren einen Algorithmus zur Umwandlung von solaren Strahldichten in solare Strahlungsflüsse am Oberrand der Atmosphäre über wolkenfreien Gebieten. Wir zeigen eine neue Abbildung gängiger CERES Winkelverteilungsmodelle. Durch kollokierte geophysikalische Parameter (einer Klimatologie Aerosol-optischer Dicken, ERA-20C Reanalyse-Daten, sowie einer Klimatologie von MCD43BGF-basierten Parametern für bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktionen über Landoberflächen) können räumlich und zeitlich separate CERES Modelle vereint werden, und neue Winkelverteilungsmodelle per Landoberflächenklasse und per BBR-erfassbarer Streurichtung erzeugt werden. Es wird dargestellt, welche geophysikalischen Parameter für die Erzeugung relevant sind und mit welcher Genauigkeit CERES Modelle reproduziert werden. Neue Modelle weichen um 2.7-4.0 W/m² von CERES Modellen ab, wenn Fälle mit Neuschneeereignissen ausgeschlossen werden. Neuschnee und dessen bidirektionale Reflexionsverteilung wird durch geophysikalische Parameter nicht erfasst. In diesen Fällen beträgt die Abweichung 8.3-14.6 W/m².

Wir untersuchen die Umwandlung von gemessenen solaren Strahldichten in solare Strahlungsflüsse am Oberrand der Atmosphäre über tiefen Flüssigwasserwolken. Es wird die Sensitivität gegenüber der Wolkentröpfchengrößenverteilung und der Wasserdampfmenge über Wolken analysiert, die herkömmliche CERES Winkelverteilungsmodelle nicht berücksichtigen. Mit Hilfe mehrjähriger CERES-MODIS Messungen sowie Breitband-Simulationen mit dem Strahlungstransfermodell MOMO, erstellen wir neue Winkelverteilungsmodelle, die eine Sensitivität gegenüber Wolkenoberkanten-Effektivradius und Wasserdampfsäule über den Wolken zulassen. Die Ergebnisse beschreiben eine Variabilität der solaren Anisotropie von 2.9-8.0% zwischen extremen Effektivradien sowie 1.3-6.4% zwischen extremen Wasserdampfsäulengehalten. Die Unsicherheit der Anisotropie beträgt 3.2-5.0%. Im Vergleich zu CERES Winkelverteilungsmodellen weichen Strahlungsflussschätzungen um bis 20 W/m² ab. Insbesondere bei sehr kleinen und großen Effektivradien (5 und 20μm, entsprechend einer sehr starken und schwachen Wolken-Aerosol-Interaktion, respektive) wird eine große Abweichung beobachtet. Bei der Anwendung auf CERES Cross-Track Messungen, die als Grundlage zur Validierung von Klimamodellen dienen, schätzen die neu beschriebenen Winkelverteilungsmodelle 1-2 W/m² höhere solare Strahlungsflüsse als CERES Modelle. Teilweise kann diese Differenz bestimmten Regionen zugeordnet werden, die stets kleine Wolken-Effektivradien und niedrige Mengen Wolken-überlagerten Wasserdampfs ausweisen. Diese Arbeit identifiziert somit zusätzliche Anisotropie-Faktoren, die zukünftige Winkelverteilungsmodelle berücksichtigen sollten, um regionale, systematische Fehler in Strahlungsflussschätzungen zu vermeiden.

Wir stellen eine neue Methode zur Kollokation von individuellen Strahldichtemessungen der drei BBR-Beobachtungsrichtungen sowie zugehörigen Strahlungsflussschätzungen zu gemeinsamen Gebieten vor. 3D Monte-Carlo Strahlungstransfersimulationen, die auf eine aktiv-passiv gemessene Atmosphäre angewendet werden, generieren Photonenpfade pro BBR-Messung. Die simulierten Photonenpfade erlauben eine Kollokation auch unter schwierigen Bedingungen, wie z.B. teilweiser oder semi-transparenter Bewölkung, an denen herkömmliche Methoden scheitern. Angewendet auf eine 5000 km lange Szene aus Satellitendaten des A-Trains, beobachten wir eine Verbesserung der Kollokation von 4% bei Zirrusbewölkung und 15% für Fälle teilweiser Bewölkung, verglichen mit einer Methode, die die Wolkenoberkantenhöhe zur Kollokation nutzt.

Mit dem anstehenden Start der EarthCARE Mission wird das Strahlungsschließungsexperiment BBR-basierte und simulierter Strahlungsflüsse am Oberrand der Atmosphäre vergleichen. Durch neu gewonnene Erkenntnisse hinsichtlich BBR-gestützter Strahlungsflüsse und deren Unsicherheiten trägt diese Arbeit zum besseren Verständnis über die Wechselwirkung von Wolken, Aerosolen und Strahlung innerhalb der Wissenschaftsgemeinschaft bei.