Original paper

Validation of downward surface radiation derived from MSG data by in-situ observations over the Atlantic ocean

Macke, Andreas; Kalisch, John; Hollmann, Rainer

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 2 (2010), p. 155 - 167

published: Apr 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0433

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Abstract

The present work investigates the quality of the shortwave and and longwave downward radiation (DSR, DLR) at the sea surface over the Atlantic Ocean as retrieved from Meteosat Second Generation (MSG) measurements and EUMETSAT's Climate Monitoring - Satellite Application Facility (CM-SAF) algorithms. The observations taken at two transatlantic research cruises have been an ideal basis to be compared with the MSG products for DSR and DLR derived from Meteosat-8 and Meteosat-9. Onboard the research vessels "Akademik Ioffe" and "Polarstern" high quality in situ measurements of both radiation fluxes have been performed. Continuous full sky imagery and standard meteorological observations enable a comprehensive evaluation of the skills of MSG DSR- and DLR-retrievals in different climate zones and under various cloud and weather conditions. The DSR was retrieved by MSG with a positive bias of 2.77 Wm−2 during the Ioffe cruise, and 22.23 Wm−2 during the Polarstern cruise. The bias for the DLR was −1.73 Wm−2 and 2.76 Wm−2, respectively. The differences between the two cruises mainly arise from the different weather conditions. No significant differences between the satellite products from Meteosat-8 and Meteosat-9 were found. In general DSR and DLR for clear sky conditions are captured with a high accuracy. Largest retrieval errors occur for fast fluctuating broken cloud conditions, though on average the MSG algorithm match the in-situ observations well. Semitransparent cirrus was found to cause a negative bias for the retrieved DSR. In tropics and subtropics the errors for DLR are smaller compared to higher latitudes. Most importantly, no significant dependencies of the satellite retrieval errors for both the DSR and the DLR on the solar elevation, near-surface humidity, cloud cover, SST and the shift of day and night were found, indicating that the CM-SAF radiation products are not subject to significant systematic errors.

Kurzfassung

Diese Arbeit evaluiert die Qualität der abwärtsgerichteten kurzwelligen Einstrahlung (DSR) und der abwärtsgerichteten langwelligen Gegenstrahlung (DLR) an der Meeresoberfläche des Atlantischen Ozeans, berechnet aus Fernerkundungsdaten von Meteosat Second Generation (MSG) mit Hilfe der EUMETSAT Climate Monitoring - Satellite Application Facility (CM-SAF) - Algorithmen. Die auf zwei transatlantischen Forschungsfahrten gewonnenen Beobachtungsdaten stellen eine ideale Basis für den Vergleich mit den MSG-Produkten DSR und DLR dar, die aus Daten des Meteosat-8 und Meteosat-9 abgeleitet wurden. An Bord der Forschungsschiffe Akademik Ioffe und Polarstern wurden hochwertige in situ Messungen beider Strahlungsflüsse durchgeführt. Kontinuierliche Sequenzen der Wolkenkamera in Verbindung mit meteorologischen Standardmessungen ermöglichen diese Vergleichsstudie mit den Ergebnissen der MSG-Algorithmen für DSR und DLR in unterschiedlichen Klimazonen und unter verschiedensten Wolken- und Wetterbedingungen. Für die Fahrt der Ioffe zeigte die DSR abgeleitet aus MSG-Daten eine Überschätzung von 2.77 Wm−2, für die Fahrt der Polarstern wurden 22.23 Wm−2 ermittelt. Der systematische Fehler der DLR war −1.73 Wm−2 bzw. 2.76 Wm−2. Die unterschiedlichen Werte der beiden Fahrten resultieren hauptsächlich aus den verschiedenen Wetterbedingungen. Durch den zeitlichen Überlapp konnten Satellitenprodukte von Meteosat-8 und Meteosat-9 verglichen werden, die keine signifikanten Unterschiede zeigten. Im Allgemeinen werden DSR und DLR im wolkenfreien Fall mit hoher Genauigkeit wiedergegeben. Die größten Fehler im Algorithmus kommen bei sich schnell ändernder Cumulusbedeckung vor, wobei die berechneten Einstrahlungen im Mittel gut mit den in situ Messungen übereinstimmen. Semitransparenter Cirrus verursacht Unterschätzungen in der abgeleiteten DSR. In Tropen und Subtropen sind die Fehler in der DLR geringer als in hohen Breiten. Wichtig ist die Tatsache, dass der Fehler für den Satellitenalgorithmus sowohl für DSR als auch für DLR keine signifikanten Abhängigkeiten von dem Sonnenstand, von der Luftfeuchtigkeit in Bodennähe, vom Wolkenbedeckungsgrad, von der SST und vom Tag-Nacht-Unterschied zeigen. Dies weißt darauf hin, dass die CM-SAF Strahlungsprodukte keinen signifikanten systematischen Fehlern unterliegen.