Original paper

Comparison of surface UV irradiance in mountainous regions derived from satellite observations and model calculations with ground-based measurements

Wagner, Jochen E.; Angelini, Federico; Arola, Antti; Blumthaler, Mario; Fitzka, Michael; Gobbi, Gian; Paolo Kift, Richard; Kreuter, Axel; Rieder, Harald E.; Simic, Stana; Webb, Ann; Weihs, Philipp

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 5 (2010), p. 481 - 490

published: Oct 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0347

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Abstract

Several UV data products derived from satellite measurements, 1-D and 3-D radiative transfer modeling are compared with high-quality ground-based measurements. Data products include the UV index, erythemally weighted daily dose and spectrally resolved UV irradiances at 305, 310, 324 and 380 nm. The study focuses on the UV radiation climate in mountainous terrain under cloud-free conditions. The results show, that overall the 3-D- and the 1-D-model agree best with the measurements (average ratio 1.10 and 1.13, range 0.88-1.6). It is also found that snow and local topography have a rather minor impact on ground UV-irradiance, while altitude plays a significant role >5 %). Satellite-retrieved values significantly underestimate irradiance for most of our stations due to erroneous cloud correction (average ratio 0.89, range 0.6-1.35). However, if one compares the uncorrected (cloud-free) satellite-retrieved values to the measurements, the ratios are only slightly larger (average ratio 1.14, range 0.8 - 1.6) than for the 1-D- and 3-D-model. The main deficiencies arise in determining the correct surface height and albedo within the satellite-retrieval algorithm.

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Studie werden Ergebnisse von drei unterschiedlichen Berechnungsmethoden (Satelliten gebunden, 1-D und 3-D-Strahlungstransfermodelle) für UV-Strahlung in Form von UV-Index, Erythem gewichteten Tagesdosen und spektral aufgelöster UV-Bestrahlungsstärke bei 305, 310, 325 und 380 nm mit bodengebundenen Qualitätsmessungen verglichen. Die Fallstudie wurde in alpinem Gebiet bei wolkenlosen Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Studie zeigen eine gute Übereinstimmung sowohl des 3-D-, als auch des 1-D-Modells mit den Messwerten (durchschnittliches Verhältnis 1,10 und 1,13, Schwankungsbereich 0,8-1,6). Die Kombination aus schneebedecktem Boden und komplexer Topographie hat einen eher kleinen Einfluss auf die Bestrahlungsstärke am Boden. Im Gegensatz dazu ist die Höhe über Meeresniveau für die Bestrahlungsstärke sehr bedeutsam (>5 %). Von Satellitenbeobachtungen abgeleitete Werte unterschätzen UV-Strahlung signifikant für die meisten Stationen aufgrund von fehlerhafter Wolkenkorrektur (durchschnittliches Verhältnis 0,89, Schwankungsbereich 0,6-1,35). Vergleicht man die nicht wolkenkorrigierten vom Satelliten abgeleiteten Werte, sind die Abweichungen zu den Messungen nur etwas größer (durchschnittliches Verhältnis 1,14, Schwankungsbereich 0,8-1,6) als bei 3-D- und 1-D-Modell. Diese Abweichungen resultieren zum größten Teil aus ungenauer Bestimmung der Meereshöhe und Bodenalbedo innerhalb des Satellitenalgorithmus.