Remote sensing of atmospheric water vapour for numerical weather prediction

Abstract

The goal of this work was the development and validation of retrieval algorithms for atmospheric water vapour from satellite measurements and their application to a data assimilation system for a numerical weather prediction model. Algorithms were developed for two satellite instruments, the Medium Resolution Imaging Spectrometer MERIS on board Envisat and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MODIS on board TERRA. For both instruments, two slightly different algorithms were developed, one for the retrieval of total columnar integrated atmospheric water vapour above land for cloud free pixels, the other for integrated water vapour above cloud tops for cloudy pixels. Both algorithms are based on measurements of backscattered solar radiation, therefore allowing measurements during daytime satellite overpasses only. The rapid processing of satellite data shortly after the overpass is a necessary prerequisite for its use within data assimilation. In order to meet this requirement, a near-real-time processing system was developed for the automated processing of satellite level1b data on a scalable distributed computer system. This system is currently used operationally at the Institut für Weltraumwissenschaften for the retrieval of water vapour and other cloud products from MODIS data. Products are derived and the results are displayed in the internet within 20 minutes after the ftp transfer of level1b data from the receiving station and 90 minutes after the beginning of the satellite overpass. Results from the water vapour retrieval algorithms were validated using a) measurements of the Microwave Water Radiometer at the ARM- SGP site in Oklahoma, USA, b) ground-based GPS stations in Germany and c) radio soundings in central Europe. All three were used for the validation of derived total columnar integrated water vapour above cloud free land pixels, the radio soundings were also used for the validation of MERIS measurements of integrated water vapour above cloud tops. The root mean square deviation between the satellite measurements and the validation data was generally in the order of 2 mm, with biases mostly smaller than 1 mm. The comparison with ground-based GPS measurements showed the highest agreement. MODIS measurements of integrated water vapour over cloud free land pixels were used for an assimilation experiment with the 3-dimensional variational data assimilation system of the limited area numerical weather prediction model HIRLAM of the Swedish weather service SMHI. The experiment was carried out for the first two weeks of July 2002. Two model runs were performed, one reference run with all operational observation data included and an experimental run with additional MODIS data. It was shown that the MODIS data was accepted by the model during the assimilation and that humidity fields were modified in agreement with the observations. However, the additional information was generally washed out fast in the subsequent forecasts. The impact of the MODIS water vapour observations on the forecasts was investigated with respect to precipitation. The strongest modifications of total precipitation over the experiment period occured towards the eastern model boundary in the area most often covered by MODIS overpasses. Nevertheless, non-negligible modifications were also visible in the western model areas where no MODIS observation occured. The forecast quality was evaluated by comparison of predicted precipitation fields with radar-based precipitation estimates over the BALTEX area. The differences between the HIRLAM forecasts and the radar observations of total precipitation over the experiment period are generally much larger than the differences between the two HIRLAM runs. Consequently, no significant impact on the deviation between radar observations and HIRLAM forecasts was observed.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Validierung von Ableiteverfahren für atmosphärischen Wasserdampf aus Satellitenmessungen sowie deren Anwendung im Rahmen der Daten-Assimilation eines numerischen Wettervorhersagemodells. Ableiteverfahren wurden für zwei Satelliteninstrumente entwickelt, das Medium Resolution Imaging Spectrometer MERIS auf Envisat und das Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MODIS auf TERRA. Für beide Instrumente wurden zwei, leicht unterschiedliche Algorithmen entwickelt. Über wolkenfreien Land-Pixeln erlauben sie die Bestimmung des gesamten Säulenwasserdampfgehalts, über bewölkten Pixeln die Bestimmung des Säulenwasserdampfgehalts überhalb der Wolken. Beide Algorithmen basieren auf Messungen rückgestreuter Solarstrahlung, daher sind Ableitungen nur während des Tages möglich. Die möglichst schnelle Prozessierung der Satellitendaten nach dem Überflug ist eine nötige Voraussetzung für deren Verwendung im Rahmen der Assimilation. Um diese Forderung zu erfüllen, wurde ein near-real-time Prozessierungs-System entwickelt, das die automatische Verarbeitung von level1b Satellitenmessungen auf einem skalierbaren, verteilten Computersystem ermöglicht. Dieses System wird zur Zeit operationell im Institut für Weltraumwissenschaften zur Ableitung von Wasserdampf- und zusätzlichen Wolkenprodukten aus MODIS Messungen verwendet. Die Zeit, die für die Erstellung der Produkte und die Darstellung der Ergebnisse im Internet benötigt wird, beträgt ca. 20 Minuten vom ftp-Transfer der level1b Daten von der Empfangsstation und damit ca. 90 Minuten vom Beginn des Satellitenüberflugs. Die Ergebnisse der Ableitungsverfahren wurden mit drei unterscchiedlichen Vergleichsmessungen validiert: a) mit Messungen des Mikrowellenradiometers auf dem ARM-SGP Messfeld in Oklahoma, USA, b) mit bodengestützen GPS Messungen in Deutschland und c) mit Radiosondenaufstiegen in Mitteleuropa. Alle drei wurden für die Validierung des abgeleiteten Gesamtwasserdampfgehalts über wolkenfreien Landpixeln verwendet, die Radiosondenmessungen wurden zusätzlich zur Valdierung des aus MERIS-Messungen abgeleiteten Säulenwasserdampfs über Wolken verwendet. Die Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung zwischen den Satellitenmessungen und den Validierungsdaten war typischerweise in der Größenordnung von 2 mm, mit mittleren absoluten Abweichungen meistens kleiner als 1 mm . Der Vergleich mit bodengestützen GPS Messungen zeigte die beste Übereinstimmung. MODIS Messungen des integrierten Gesamtwasserdampfgehalts über Land wurden für ein Assimilationsexperiment verwendet. Dieses wurde, für die ersten zwei Wochen im Juli 2002, durchgeführt mit dem System für die dreidimensionale variationelle Assimilation für das regionale Wettervorhersagemodell HIRLAM des schwedischen Wetterdienstes SMHI. Zwei Modellläufe wurden dazu verwendet, ein Referenzlauf, in dem alle operationell verfügbaren Beobachtungen verwendet wurden, sowie ein experimenteller Lauf mit den zusätzlichen MODIS Daten. Es zeigte sich, daß die MODIS Messungen während der Assimilation vom Modell akzeptiert und die Feuchtefelder in Übereinstimmung mit den Beobachtungen modifiziert wurden. Allerdings verschwand die zusätzliche Information in den darauffolgenden Vorhersagen meist recht schnell. Der Einfluß der MODIS Wasserdampfmessungen auf die Modellvorhersagen wurde im Hinblick auf Niederschlag untersucht. Die stärksten Veränderungen des Gesamtniederschlags über den Zeitraum des Experiments ereigneten sich in der Nähe der östlichen Modellgrenze in dem Gebiet, das am häufigsten von MODIS überflogen wurde. Nicht zu vernachlässigende Veränderungen waren jedoch ebenfalls in der westlichen Modellhälfte sichtbar, obwohl dort keine MODIS Messungen vorlagen. Die Vorhersagequalität wurde mit Hilfe von Vergleichen der prognostizierten Niderschläge mit Abschätzungen des Niederschlags aus Radarmessungen im BALTEX-Gebiet evaluiert. Die Unterschiede im Gesamtniederschlag zwischen HIRLAM und Radar waren generell weitaus größer als die Unterschiede zwischen den beiden Modellläufen. Daher war kein signifikanter Einfluß auf die Unterschiede zwischen Radar und HIRLAM zu beobachten.