Impact of High Concentrations of Saharan Dust Aerosols on Infrared-Based Land Surface Temperature Products

An analysis of three operational satellite-based thermal-infrared land surface temperature (LST) products is presented for conditions of heavy dust aerosol loading. The LST products are compared against ERA5’s skin temperature (SKT) across the Sahara Desert and Sahel region, where high concentrations of dust aerosols are prevalent. Large anomalous differences are found between satellite LST and ERA5’s SKT during the periods of highest dust activity, and satellite–ERA5 differences are shown to be strongly related to dust aerosol optical depth (DuAOD) at 550 nm, indicating an underestimation of LST in conditions of heavy dust aerosol loading. In situ measurements from two ground stations in the Sahel region provide additional evidence of this underestimation, showing increased biases of satellite LST with DuAOD, and no significant dependence of ERA5’s SKT biases on dust aerosol concentrations. The impact of atmospheric water vapor content on LST and SKT is also examined, but dust aerosols are shown to be the primary driver of the inaccurate LSTs observed. Based on comparisons with in situ data, we estimate an aerosol-induced underestimation of LST of approximately 0.9 K for every 0.1 increase in DuAOD. Analysis of brightness temperatures (BTs) in the thermal infrared atmospheric window reveals that dust aerosols have the opposite effect on BT differences compared to water vapor, leading to an underestimation of atmospheric correction by the LST retrieval algorithms. This article highlights a shortcoming of current operational LST retrieval algorithms that must be addressed

The Brazilian Developments on the Regional Atmospheric Modeling System (BRAMS 5.2): An Integrated Environmental Model Tuned for Tropical Areas

We present a new version of the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System where different previous versions for weather, chemistry and carbon cycle were unified in a single integrated software system. The new version also has a new set of state-of-the-art physical parameterizations and greater computational parallel and memory usage efficiency. Together with the description of the main features are examples of the quality of the transport scheme for scalars, radiative fluxes on surface and model simulation of rainfall systems over South America in different spatial resolutions using a scale-aware convective parameterization. Besides, the simulation of the diurnal cycle of the convection and carbon dioxide concentration over the Amazon Basin, as well as carbon dioxide fluxes from biogenic processes over a large portion of South America are shown. Atmospheric chemistry examples present model performance in simulating near-surface carbon monoxide and ozone in Amazon Basin and Rio de Janeiro megacity. For tracer transport and dispersion, it is demonstrated the model capabilities to simulate the volcanic ash 3-d redistribution associated with the eruption of a Chilean volcano. Then, the gain of computational efficiency is described with some details. BRAMS has been applied for research and operational forecasting mainly in South America. Model results from the operational weather forecast of BRAMS on 5 km grid spacing in the Center for Weather Forecasting and Climate Studies, INPE/Brazil, since 2013 are used to quantify the model skill of near surface variables and rainfall. The scores show the reliability of BRAMS for the tropical and subtropical areas of South America. Requirements for keeping this modeling system competitive regarding on its functionalities and skills are discussed. At last, we highlight the relevant contribution of this work on the building up of a South American community of model developers

Using middle-infrared reflectance for burned area detection

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011A strategy is presented that allows deriving a new index for burned area discrimination over the Amazon and Cerrado regions of Brazil. The index is based on information from the near-infrared (NIR) and middle-infrared (MIR) channels of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). A thorough review is undertaken of existing methods for retrieving MIR reflectance and an assessment is performed, using simulated and real data, about the added value obtained when using the radiative transfer equation (RTE) instead of the simplified algorithm (KR94) developed by Kaufman and Remer (1994), the most used in the context of burned area studies. It is shown that use of KR94 in tropical environments to retrieve vegetation reflectance may lead to errors that are at least of the same order of magnitude of the reflectance to be retrieved and considerably higher for large values of land surface temperature (LST) and solar zenith angle (SZA). Use of the RTE approach leads to better estimates in virtually all cases, with the exception of high values of LST and SZA, where results from KR94 are also not usable. A transformation is finally defined on the MIR/NIR reflectance space aiming to enhance the spectral information such that vegetated and burned surfaces may be effectively discriminated. The transformation is based on the difference between MIR and NIR in conjunction with the distance from a convergence point in the MIR/NIR space, representative of a totally burnt surface. The transformation allows defining a system of coordinates, one coordinate having a small scatter for pixels associated to vegetation, burned surfaces and soils containing organic matter and the other coordinate covering a wide range of values, from green and dry/stressed vegetation to burned surfaces. The new set of coordinates opens interesting perspectives to applications like drought monitoring and burned area discrimination using remote-sensed information.O coberto vegetal da superfície da Terra tem vindo a sofrer mudanças, por vezes drásticas, que conduzem a alterações tanto na rugosidade da superfície terrestre como no seu albedo, afectando directamente as trocas de calor sensível e latente e de dióxido de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera (Sellers et al., 1996). Neste contexto, as queimadas assumem um papel de extremo relevo (Nobre et al., 1991; O’Brien, 1996; Xue, 1996) na medida em que constituem uma das mais importantes fontes de alteração do coberto vegetal, resultando na destruição de florestas e de recursos naturais, libertando carbono da superfície continental para a atmosfera (Sellers et al., 1995) e perturbando as interacções biosfera-atmosfera (Levine et al., 1995; Scholes, 1995) através de mudanças na rugosidade do solo, na área foliar e noutros parâmetros biofísicos associados ao coberto vegetal. Ora, neste particular, a Amazónia Brasileira constitui um exemplo notável de mudanças no uso da terra e do coberto vegetal nas últimas décadas, como resultado da desflorestação induzida pelo homem bem como por causas naturais (Gedney e Valdes, 2000; Houghton, 2000; Houghton et al., 2000; Lucas et al., 2000), estimando-se que as regiões tropicais sejam responsáveis por cerca de 32% da emissão global de carbono para a atmosfera (Andreae, 1991). Neste contexto, a disponibilidade de informações pormenorizadas e actualizadas sobre as distribuições espacial e temporal de queimadas e de áreas ardidas em regiões tropicais afigura-se crucial, não só para uma melhor gestão dos recursos naturais, mas também para estudos da química da atmosfera e de mudanças climáticas (Zhan et al., 2002). A detecção remota constitui, neste âmbito, uma ferramenta indispensável na medida em que permite uma monitorização em tempo quase real, a qual se revela especialmente útil em áreas extensas e/ou de difícil acesso afectadas pelo fogo (Pereira et al., 1997). Diversos instrumentos, tais como o Land Remote Sensing Satellite/Thematic Mapper (LANDSAT/TM) e o National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA/AVHRR) têm vindo a ser extensivamente utilizados na gestão dos fogos florestais, em particular aos níveis da detecção de focos de incêndio e da monitorização de áreas queimadas. Mais recentemente, o instrumento VEGETATION a bordo do Satellite Pour l'Observation de la Terre (SPOT) tem vindo a ser utilizado com sucesso na monitorização de fogos. Finalmente, são de referir os sensores da série Along Track Scanning Radiometer (ATSR) para os quais têm vindo a ser desenvolvidos algoritmos de identificação de focos de incêndio, e ainda o sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) que tem vindo a demonstrar capacidades óptimas no que respeita à observação global de fogos, plumas e áreas queimadas. Neste contexto, os métodos actuais de detecção de áreas ardidas através da detecção remota têm vindo a dar prioridade à utilização das regiões do vermelho (0.64 μm) e infravermelho-próximo (0.84 μm) do espectro eletromagnético. No entanto, tanto a região do vermelho quanto a do infravermelho-próximo apresentam a desvantagem de serem sensíveis à presença de aerossóis na atmosfera (Fraser e Kaufman, 1985; Holben et. al., 1986). Desta forma, em regiões tropicais como a Amazónia, onde existem grandes camadas de fumo devido à queima de biomassa, a utlização destas duas regiões do espectro eletromagnético torna-se insatisfatória para a detecção de áreas ardidas. Por outro lado, a região do infravermelho médio (3.7 – 3.9 μm) tem a vantagem de não ser sensível à presença da maior parte dos aerossóis, exceptuando a poeira (Kaufman e Remer, 1994) mostrando-se, ao mesmo tempo, sensível a mudanças na vegetação devido à absorção de água líquida. Com efeito, estudos acerca dos efeitos do vapor de água na atenuação do espectro eletromagnético demonstraram que a região do infravermelho médio é uma das únicas regiões com relativamente pouca atenuação (Kerber e Schut, 1986). Acresce que a região do infravermelho médio apresenta uma baixa variação da irradiância solar (Lean, 1991), tendo-se ainda que a influência das incertezas da emissividade na estimativa da temperatura da superfície é pequena quando comparada com outras regiões térmicas tais como as de 10.5 e 11.5 μm (Salysbury e D’Aria, 1994). A utilização da radiância medida através de satélites na região do infravermelho médio é, no entanto, dificultada pelo facto de esta ser afectada tanto pelo fluxo térmico quanto pelo fluxo solar, contendo, desta forma, duas componentes, uma emitida e outra reflectida, tendo-se que a componente reflectiva contém os fluxos térmico e solar reflectidos pela atmosfera e pela superfície enquanto que as emissões térmicas são oriundas da atmosfera e da superfície. Ora, a componente solar reflectida é de especial interesse para a detecção de áreas ardidas pelo que se torna necessário isolá-la do sinal total medido pelo sensor. Devido à ambiguidade deste sinal, a distinção dos efeitos da reflectância e da temperatura torna-se uma tarefa muito complexa, verificando-se que os métodos em que se não assume nenhuma simplificação, levando-se, portanto, em consideração todos os constituintes do sinal do infravermelho médio se tornam complexos e difíceis de serem aplicados na prática, na medida em que requerem dados auxiliares (e.g. perfis atmosféricos) e ferramentas computacionais (e.g. modelos de tranferência radiativa). Kaufman e Remer (1994) desenvolveram um método simples para estimar a reflectância do infravermelho médio o qual assenta em diversas hipóteses simplificadoras. Apesar do objectivo primário que levou ao desenvolvimento do método ser a identificação de áreas cobertas por vegetação densa e escura em regiões temperadas, este método tem sido lagarmente utilizado nos estudos acerca da discriminação de áreas queimadas, algumas das vezes em regiões tropicais (Roy et al., 1999; Barbosa et al., 1999; Pereira, 1999). Na literatura não existe, no entanto, nenhum estudo acerca da exactidão e precisão deste método quando aplicado com o objectivo de detectar áreas ardidas, em especial em regiões tropicais. Neste sentido, no presente trabalho procedeu-se a um estudo de viabilidade do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em simultâneo com a análise da equação de tranferência radiativa na região do infravermelho médio, tendo sido realizados testes de sensibilidade dos algoritmos em relação aos erros nos perfis atmosféricos, ruído do sensor e erros nas estimativas da temperatura da superfície. Para tal recorreu-se ao modelo de transferência radiativa Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmittance and Radiance Code (MODTRAN), dando-se especial atenção ao caso do sensor MODIS. Os resultados demonstraram que a utilização do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em regiões tropicais para a estimativa da reflectância no infravermelho médio, leva a erros que são pelo menos da mesma ordem de magnitude do parâmetro estimado e, em alguns casos, muito maior, quando ocorre a combinação de altas temperaturas da superfície terrestre com baixos ângulos zenitais solares. A utilização da equação de transferência radiativa mostrouse uma boa alternativa, desde que estejam disponíveis dados acerca da temperatura da superfíce terrestre assim como dos perfis atmosféricos. Entretanto, nas regiões onde ocorrem altos valores de temperatura da superfície terrestre e baixos ângulos zenitais solares, quaisquer dos dois métodos se mostra pouco utilizável, já que nesta região a estimativa da reflectância constitui um problema mal-posto. Em paralelo, utilizaram-se informações sobre aerossóis de queimada para efectuar simulações do MODTRAN que permitiram avaliar a reposta do canal do infravermelho-médio à este tipo de perturbação do sinal, muito comum na Amazónia Brasileira. A fim de tornar o estudo o mais realístico possível, procedeu-se à coleta de material resultante de queimadas na região Amazónica, mais especificamente em Alta Floresta, Mato Grosso, Brasil. Estes resultado foram então integrados nos estudos em questão, possibilitando a caracterização espectral das áreas ardidas. Com base nos resultados obtido definiu-se uma tranformação no espaço do infravermelho próximo e médio com o objetivo de maximizar a informação espectral de forma a que as superfícies vegetadas pudessem ser efectivamente discriminadas e as áreas ardidas identificadas. A tranformação baseia-se na diferença entre a reflectância nos infravermelhos próximo e médio, em conjunto com a distância a um ponto de convergência no espaço espectral dos infravermelhos próximo e médio, ponto esse representativo de uma área completamente ardida. A tranformação permitiu a definição de um novo sistema de coordenadas, o qual provou ser bastante útil no que diz respeito á identificação de áreas ardidas. Este novo espaço de coordenadas constitui uma inovação na área dos estudos de queimadas, já que permite ao mesmo tempo definir dois tipos de índices, o primeiro dos quais identifica superfícies que contém ou não biomassa e o segundo identifica, de entre as superfícies que contêm biomassa, a quantidade de água presente, podendo variar de vegetação verde (abundância de água) até áreas ardidas (ausência de água). Além de distiguir áreas ardidas, os índices desenvolvidos podem ainda ser aplicados em outros casos como, por exemplo, estudos de estresse hídrico e secas.DSA/INPE; Portuguese Foundation of Science and Technology (Fundação para a Ciência e Tecnologia / FCT)(SFRH/BD/21650/2005

Modelling the atmospheric controls and climate impact of mineral dust in the Sahara Desert

Mineral dust aerosols play an important role in climate and the Earth's energy budget. The effect of dust on the radiative forcing is uncertain due to the complexity of particle properties and the complexity to quantify and discriminate preferential dust sources. This research considers the potential of two Regional Climate Models (RCM’s): The Weather Research and Forecasting model (WRF-Chem) and the Regional Climate Model (RegCM3) both with an integrated dust module. Numerical sensitivity experiments are performed to quantify the ability of both models to simulate sources, the magnitude of dust emission, the transport in 3-dimensions and the subsequent impact on the radiative forcing. Particular emphasis is given to preferential source regions within the Sahara and Sahel in North Africa including the Bodélé Depression in Northern Chad. To account for the distribution of preferential dust source regions, soil texture characteristics were modified in dust source regions in RegCM3. As for WRF-Chem GOCART scheme, a new higher resolution erodible fraction map is tested. Moreover, the sensitivity of the results to the specification of aerosol optical properties to evaluate the impacts of optical characteristics on the radiative forcing was considered for the RegCM3. Finally, model outputs are compared to in-situ data: weather stations (WMO) and AERONET and satellite estimates: MODIS, MISR, OMI, CALIPSO and SEVIRI. Results show that both models represent the space/time structure of near-surface meteorology well. The tuning of preferential dust sources tested in this research provides a more realistic representation of local dust sources, emissions and resulting AOT. This suggest that in the absence of truly accurate soil maps at high resolution, further refinements to preferential sources map and its implementation in dust models can lead to useful improvements in simulation of dust processes and dust forecast accuracy

Amélioration de la représentation des aérosols dans un modèle de chimie-transport : modélisation et assimilation de données

L'objectif général de cette thèse est d'améliorer la représentation des aérosols dans le modèle MOCAGE. Pour se faire, nous avons modifié directement la représentation des aérosols en réexaminant et améliorant les différents processus déjà présents via la prise en compte de schémas et de paramétrisations plus détaillés et implémenté l'assimilation de données des aérosols dans le modèle. Les processus ayant subi les améliorations les plus importantes sont les émissions des aérosols du type sel marin, poussière désertique et cendre volcanique, le dépôt humide et la sédimentation. Nous avons évalué les impacts de ces changements et comparé les champs modélisés avec des observations. Les modifications implémentées ont permis d'améliorer significativement l'accord entre modèle et observations. Comme approche complémentaire pour répondre à l'objectif de cette thèse, nous avons également implémenté dans le CTM MOCAGE l'assimilation de données des aérosols. Le système d'assimilation de données des aérosols est implémenté et il est capable d'assimiler l'épaisseur optique des aérosols (AOD) et les mesures lidar. L'assimilation des observations d'AOD est un outil efficace pour améliorer les performances du modèle en terme d'AOD et de concentration. L'assimilation de mesures lidar sur le signal ainsi que les coefficients de rétrodiffusion et d'extinction, ont montré un impact efficace sur les profils verticaux.The main goal of this thesis is to improve the aerosol representation in the CTM MOCAGE. The work may be divided into: the direct improvement of aerosol physical parameterizations, and the development of a data assimilation system able to assimilate aerosol optical depth (AOD) and lidar profiles. On the modelling side, the processes that underwent the important improvements were sea salt, desert dust and volcanic aerosol emissions, wet deposition and sedimentation. The ambition is related to improve the model biases compared to observations, and to implement more physically detailed schemes in the model. We evaluated the impacts of these changes and compared the modelled fields to observations. The implemented updates significantly enhanced the model agreement with the observations and the inter-model comparison data. The results also confirmed that large uncertainties in models can come from the use of different parameterizations. The aerosol data assimilation is implemented to further reduce the model uncertainties. The set of observation operators and their tangent linear and adjoint operators for AOD and lidar profile observations are developed to link the model and the observation space. Aerosol assimilation proved to be very efficient to reduce the differences between the model and the observations. The assimilated AOD observations were able to significantly improve the model performance in terms of AOD and concentrations. Assimilation of lidar measurements: the backscatter signal, the extinction and backscatter coefficients, also showed an efficient influence on the vertical profiles

Studies of global cloud field using measurements of GOME, SCIAMACHY and GOME-2

Tropospheric clouds are main players in the Earth climate system. Characterization of long-term global and regional cloud properties aims to support trace-gases retrieval, radiative budget assessment, and analysis of interactions with particles in the atmosphere. The information needed for the determination of cloud properties can be optimally obtained with satellite remote sensing systems. This is because the amount of reflected solar light depends both on macro- and micro-physical characteristics of clouds. At the time of writing, the spaceborne nadir-viewing Global Ozone Monitoring Experiment (GOME), together with the Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY) and GOME-2, make available a unique record of almost 17 years (June 1996 throughout May 2012) of global top-of-atmosphere (TOA) reflectances and form the observational basis of this work. They probe the atmosphere in the ultraviolet, visible and infrared regions of the electromagnetic spectrum. Specifically, in order to infer cloud properties such as optical thickness (COT), spherical albedo (CA), cloud base (CBH) and cloud top (CTH) height, TOA reflectances have been selected inside and around the strong absorption band of molecular oxygen in the wavelength range at 758-772 nm (the O2 A-band). The retrieval is accomplished using the Semi-Analytical CloUd Retrieval Algorithm (SACURA). The physical framework relies on the asymptotic parameterizations of radiative transfer. The generated record has been throughly verified against synthetic datasets as function of cloud and surface parameters, sensing geometries, and instrumental specifications and validated against ground-based retrievals. The error budget analysis shows that SACURA retrieves CTH with an average accuracy of ±400 m, COT within ±20% (given that COT > 5) and places CTH closer to ground-based radar-derived CTH, as compared to independent satellite-based retrievals. In the considered time period the global average CTH is 5.2±3.0 km, for a corresponding average COT of 20.5±16.1 and CA of 0.62±0.11. Using linear least-squares techniques, global trend in deseasonalized CTH has been found to be -1.78±2.14 m * year-1 in the latitude belt ±60°, with diverging tendency over land ( 0.27±3.2 m * year-1) and water (-2.51±2.8 m * year-1) masses. The El Nino-Southern Oscillation (ENSO), observed through CTH and cloud fraction (CF) values over the Pacific Ocean, pulls clouds to lower altitudes. It is argued that ENSO must be removed for trend analysis. The global ENSO-cleaned trend in CTH amounts to -0.49±2.22 m * year-1. At a global scale, no explicit patterns of statistically significant trends (at 95% confidence level, estimated with bootstrap resampling technique) have been found, which are representative of peculiar natural climate variability. One exception is the Sahara region, which exhibits the strongest upward trend in CTH, sustained by an increasing trend in water vapor. Indeed, the representativeness of every trend is affected by the record length under study. 17 years of cloud data still might not be enough to provide any decisive answer to current open questions involving clouds. The algorithm used in this work can be applied to measurements provided by future planned Earth's observation missions. In this way, the existing cloud record will be extended and attribution of cloud property changes to natural or human causes and assessment of cloud feedback sign within the climate system can be investigated

CIRA annual report FY 2017/2018

Reporting period April 1, 2017-March 31, 2018