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Surface radiation at sea validation of satellite-derived data with shipboard measurements

Behr, Hein Dieter; Hollmann, Rainer; Müller, Richard W.

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 1 (2009), p. 61 - 74

published: Mar 6, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/356

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Abstract

Quality-controlled and validated radiation products are the basis for their ability to serve the climate and solar energy community. Satellite-derived radiation fluxes are well preferred for this task as they cover the whole research area in time and space. In order to monitor the accuracy of these data, validation with well maintained and calibrated ground based measurements is necessary. Over sea, however, long-term accurate reference data sets from calibrated instruments recording radiation are scarce. Therefore data from research vessels operating at sea are used to perform a reasonable validation. A prerequisite is that the instruments on board are maintained as well as land borne stations. This paper focuses on the comparison of radiation data recorded on board of the German Research Vessel "Meteor" during her 13 months cruise across the Mediterranean and the Black Sea with CM-SAF products using NOAA- and MSG-data (August 2006-August 2007): surface incoming short-wave radiation (SIS) and surface downward long-wave radiation (SDL). Measuring radiation fluxes at sea causes inevitable errors, e.g.shadowing of fields of view of the radiometers by parts of the ship. These ship-inherent difficulties are discussed at first. A comparison of pairs of ship-recorded and satellite-derived mean fluxes for the complete measuring period delivers a good agreement: the mean bias deviation (MBD) for SIS daily means is −7.6 W/m2 with a median bias of −4 W/m2 and consistently the MBD for monthly means is −7.3 W/m2, for SDL daily means the MBD is 8.1 and 6 W/m2 median bias respectively. The MBD for monthly means is 8.2 W/m2. The variances of the daily means (ship and satellite) have the same annual courses for both fluxes. No significant dependence of the bias on the total cloud cover recorded according to WMO (1969) has been found. The results of the comparison between ship-based observations and satellite retrieved surface radiation reveal the good accuracy of the satellite-based CM-SAF products over sea.

Kurzfassung

Als Eingangsgrößen für Klimamodelle wie auch für Berechnungen des solaren Energieangebotes für technische Anwendungen sind geprüfte und validierte Strahlungsdaten erforderlich. Gern werden für derartige Untersuchungen Satellitendaten herangezogen, da sie einen Datensatz mit guter räumlicher und zeitlicher Auflösung zur Verfügung stellen. Vor dessen Anwendung ist es aber erforderlich, seine Qualität mit Hilfe von Daten bodengebundener Messstationen zu überprüfen. Für Landstationen erfolgt dies seit einiger Zeit mit guten Ergebnissen, da dort lange, qualitätsgeprüfte Messreihen vorliegen. Da vergleichbare Datensätze auf See bisher kaum gewonnen wurden, ist man gezwungen, Messfahrten einzelner Forschungsschiffe, die mit Strahlungsmessgeräten ausgerüstet sind und bei denen man davon ausgehen kann, dass diese während der gesamten Fahrt einer regelmäßigen Wartung wie bei Landstationen üblich unterzogen wurden, zu verwenden. Für diese Untersuchung werden die an Bord von FS Meteor während einer 13-monatigen Reise gewonnenen Daten der Globalstrahlung (SIS) und der langwelligen Wärmestrahlung der Atmosphäre (SDL) herangezogen (August 2006-August 2007). Dieser Strahlungsdatensatz hat den Vorteil, dass er in einem räumlich begrenzten Gebiet (Mittelmeer und Schwarzes Meer) gewonnen wurde. An Bord gemäß WMO (1969) gewonnene synoptische Beobachtungen wurden bei der Diskussion herangezogen. Eingangs werden die bei Schiffsmessungen unvermeidlichen Fehler in den Strahlungsdaten diskutiert. Der Vergleich der jeweiligen aus den Schiffs- und den Satellitendaten berechneten Tagesmittelwerte der Strahlungsflüusse liefert für die gesamte Zeitspanne eine gute Übereinstimmung: für SIS ergibt sich ein mittlerer Bias von −7,6 W/m2 und ein Median Bias von −4 W/m2, für SDL ergeben sich die Werte 8,1 W/m2 und 6 W/m2. Eine systematische Abhängigkeit des Bias vom Gesamtbedeckungsgrad ist dagegen nicht erkennbar. Auch die Varianzen der Tagessummen weisen bei beiden Strahlungsgrößen für jeden Monat das jeweils gleiche Verhalten auf. Diese Untersuchung zeigt, dass die Validation der aus Satellitenmessungen abgeleiteten Strahlungsflüsse mit den an Bord von FS Meteor gewonnen Strahlungsflüssen eine vergleichbar sehr gute Qualität aufweist wie entsprechende Untersuchungen mit den Daten der Landstationen.