Comparisons of precipitation measurements by the Advanced Microwave Precipitation Radiometer and multiparameter radar

Includes bibliographical references.Multiparameter microwave radar measurements are based on dual-polarization and dual-frequency techniques and are well suited for microphysical inferences of complex precipitating clouds, since they depend upon the size, shape, composition, and orientation of a collection of discrete random scatterers. Passive microwave radiometer observations represent path integrated scattering and absorption phenomena of the same scatterers. The response of the upwelling brightness temperatures TB to the precipitation structure depends on the vertical distribution of the various hydrometeors and gases, and the surface features. As a result, combinations of both active and passive techniques contain great potential to markedly improve the longstanding issue of precipitation measurement from space. The NASA airborne Advanced Microwave Precipitation Radiometer (AMPR) and the National Center for Atmospheric Research (NCAR) CP-2 multiparameter radar were jointly operated during the 1991 Convection and Precipitation/Electrification experiment (CaPE) in central Florida. The AMPR is a four channel, high resolution, across-track scanning total power radiometer system using the identical multifrequency feedhorn as the widely utilized Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) satellite system. Surface and precipitation features are separable based on the TB behavior as a function of the AMPR channels. The radar observations are presented in a remapped format suitable for comparison with the multifrequency AMPR imagery. Striking resemblances are noted between the AMPR imagery and the radar reflectivity at successive heights, while vertical profiles of the CP-2 products along the nadir trace suggest a storm structure consistent with the viewed AMPR TB. Directly over the storm cores, the difference between the 37 and 85 GHz TB was noted to approach (and in some cases fall below) zero. Microwave radiative transfer computations show that this is theoretically possible for hail regions suspended aloft in the core of strong convective storms.This work was supported by the NASA Earth Science and Applications Division under Grant NAG8-890. The National Center for Atmospheric Research is sponsored by the National Science Foundation

Towards variational retrieval of warm rain from passive microwave observations

An experimental retrieval of oceanic warm rain is presented, extending a previous variational algorithm to provide a suite of retrieved variables spanning non-raining through predominantly warm raining conditions. The warm rain retrieval is underpinned by hydrometeor covariances and drizzle onset data derived from CloudSat. Radiative transfer modelling and analysis of drop size variability from disdrometer observations permit state-dependent observation error covariances that scale with columnar rainwater during iteration. The state-dependent errors and nuanced treatment of drop distributions in precipitating regions are novel and may be applicable for future retrievals and all-sky data assimilation methods. This retrieval method can effectively increase passive microwave sensors\u27 sensitivity to light rainfall that might otherwise be missed.Comparisons with space-borne and ground radar estimates are provided as a proof of concept, demonstrating that a passive-only variational retrieval can be sufficiently constrained from non-raining through warm rain conditions. Significant deviations from forward model assumptions cause non-convergence, usually a result of scattering hydrometeors above the freezing level. However, for cases with liquid-only precipitation, this retrieval displays greater sensitivity than a benchmark operational retrieval. Analysis against passive and active products from the Global Precipitation Measurement (GPM) satellite shows substantial discrepancies in precipitation frequency, with the experimental retrieval observing more frequent light rain. This approach may be complementary to other precipitation retrievals, and its potential synergy with the operational passive GPM retrieval is briefly explored. There are also implications for data assimilation, as all 13 channels on the GPM Microwave Imager (GMI) are simulated over ocean with fidelity in warm raining conditions

Microwave remote sensing algorithms for cirrus clouds and precipitation

Sponsored by NASA NAG-5-1592S

Study of Aerosol, Trace Gases and Water Vapour optical properties, using spectral measurements of solar irradiance

Θέμα της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των ατμοσφαιρικών στοιχείων και η ανάπτυξη μεθόδων για τον υπολογισμό φυσικών και οπτικών ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιώντας φασματικές μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας. Στόχος της μελέτης είναι η ανάπτυξη μεθόδων για την βελτιστοποίηση της ακρίβειας των δεδομένων ατμοσφαιρικών μεταβλητών. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε μέθοδος για τον υπολογισμό της κατακόρυφης στήλης όζοντος από τις μετρήσεις του οργάνου UVMFR κι εφαρμόστηκε σε δεδομένα 5 ετών, τα οποία συγκρίθηκαν με μετρήσεις από το όργανο Brewer και από δορυφόρο. Η βελτίωση της μεθόδου περιλαμβάνει την ποσοτικοποίηση της επιρροής στον υπολογισμό, τόσο της στρατοσφαιρικής θερμοκρασίας όσο και του οπτικού βάθους αερολυμάτων. Σημαντική για την χρήση της μεθόδου ήταν η σταθερότητα που έδειξαν τα αποτελέσματα σε μια χρονοσειρά 5 ετών. H διακρίβωση της κατακόρυφης στήλης όζοντος που υπολογίστηκε με αυτή την μέθοδο, συγκρίθηκε με μετρήσεις από επίγεια και δορυφορικά όργανα πρωτοποριακής τεχνολογίας και τα αποτελέσματα κατέδειξαν ικανοποιητική συμφωνία. Επίσης τα αποτελέσματα είχαν σταθερή ποιότητα σε όλη την χρονοσειρά, υποδεικνύοντας την δυνατότητα μακροπρόθεσμης χρήσης της μεθόδου. Δυο προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό της στήλης υδρατμών από μετρήσεις PSR. Η πρώτη μέθοδος ήταν μονοχρωματική, ακολουθώντας την προσέγγιση που χρησιμοποιείται στα ραδιόμετρα φίλτρων. Τα αποτελέσματα της συγκρίθηκαν με άλλα δεδομένα (από CIMEL, GPS, MWP, ραδιοβολίσεις) και βρέθηκε ότι το κανάλι των 946nm παρουσιάζει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Η δεύτερη μέθοδος εκμεταλλεύεται την φασματική ανάλυση του οργάνου και υπολογίζει την στήλη υδρατμών χρησιμοποιώντας το φασματικό παράθυρο 934-948nm. Επίσης, αναπτύχθηκε μέθοδος για τον υπολογισμό της λευκαύγειας μονής σκέδασης στα υπεριώδη μήκη κύματος και εφαρμόστηκε σε μια πενταετή βάση δεδομένων. Δεδομένα από φωτόμετρο CIMEL χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και την μελέτη της φασματικής συμπεριφοράς των απορροφητικών σωματιδίων. Σημαντική φασματική εξάρτηση παρατηρήθηκε στις περιπτώσεις με χαμηλό εκθέτη Ångström, συνοδευόμενα με μείωση της λευκαύγειας μονής σκέδασης και με την μείωση του οπτικού βάθους αερολυμάτων, καταδεικνύοντας την συσχέτιση με τη σύνθεση των αερολυμάτων. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι μέρος της φασματικής διακύμανσης δεν μπορεί να προσδιοριστεί εξαιτίας της αβεβαιότητας υπολογισμού της λευκαύγειας μονής σκέδασης. Οι απορροφητικές ιδιότητες στο υπεριώδες της σκόνης και του καφέ άνθρακα ερευνήθηκαν για να εξηγηθούν οι εποχικές διακυμάνσεις. Τέλος, η υπεριώδης ακτινοβολία υπολογίστηκε και συγκρίθηκε, χρησιμοποιώντας διαφορετικές βάσεις δεδομένων για την λευκαύγεια μονής σκέδασης, για την Αθήνα την περίοδο 2009-2014. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από UVMFR, AERONET, AEROCOM και OMI. Η ακτινοβολία εκτιμήθηκε με την χρήση μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας. Οι ακτινοβολίες UVA και UVB υπολογίστηκαν και βρέθηκε ότι χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από το UVFMR υπάρχει σημαντική μείωση. Οι επιδόσεις των υπολογισμών του μοντέλου αξιολογήθηκαν με μετρήσεις από Brewer στα 324nm. Συνοψίζοντας, η παρούσα διατριβή συνεισφέρει στην βελτίωση των κατανόησης και στον υπολογισμό ατμοσφαιρικών συστατικών που επηρεάζουν το φασματικό ισοζύγιο ακτινοβολιών του συστήματος Γη- Ατμόσφαιρα, όπως η στήλη του όζοντος, η στήλη υδρατμών και οι απορροφητικές ιδιότητες των αερολυμάτων. Για την περίπτωση της στήλης όζοντος, παρέχει ενδείξεις για την εγκυρότητα μιας σχετικά απλής μεθόδου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από φωτόμετρο φίλτρου και να συνεισφέρει στην αύξηση της παγκόσμιας επίγειας καταγραφής της μεταβλητής. Η μέθοδος που προτείνεται σχετικά με τους υδρατμούς, εκμεταλλεύεται την τεχνολογική πρόοδο των φασματικών μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας. Τέλος σε σχέση με τα αερολύματα υπάρχει σημαντική συνεισφορά στο ανοιχτό επιστημονικό ερώτημα της λευκαύγειας μονής σκέδασης στην υπεριώδη περιοχή του ηλιακού φάσματος.The subject of thethesis is to study and develop methods for retrieving optical and physical properties of atmospheric components using spectral solar irradiance measurements, while goals of the present thesis is to develop methods to enhance the accuracy of available data of atmospheric variables.In particular, a method to retrieve Total Ozone Column fromUltraviolet Multifilter Radiometer(UVMFR)measurements was developed, which was applied to a 5 years dataset and was compared with Brewer and satellite retrievals. Enhancement of the method is the quantification of stratospheric temperature and aerosols influence on the retrieval. Also, it is crucial for monitoring purposes that the retrieval was stable throughout the 5 years period. Additionally,theinfluence of stratospheric temperature and AOD to the retrieved values wasinvestigated and corrections to the retrieved product were appliedaccordingly. The validation of TOC retrieved with this method compared with state of the art ground based and satellite based TOC retrievals showed good results towards its use in long term or case studies concerning TOC.Two approaches were used toretrieve Integrated Water Vapour(IWV) from a Precision Solar Spectroradiometer (PSR). The first method was monochromatic, following the approach used in many filter radiometers, and was tested against other retrievals (CIMEL, GPS, MWP, radiosondes) andwasfound that 946 nm channelprovidesthe most reliable results. The second method was an enhancement, benefiting from the dense spectral recording of PSR, using a spectral window of 934-948 nm to retrieve IWV. This method provided less varied retrievalswith better agreement to reference methods.Also, a method for retrieving Single Scattering Albedo (SSA) in UV wavelengths was developed and applied on 5 years dataset. Retrievals from a collocated CIMEL sun photometer were used to evaluate the products andStudy the spectral dependence of aerosol absorption. Strong SSA wavelength dependence is revealed for cases of low Ångström exponents, accompanied by a SSA decrease with decreasing extinction optical depth, suggesting varying influence under different aerosol composition. However, part of this dependence for low aerosol optical depths is masked by the enhanced SSA retrieval uncertainty. Dust and brown carbon UV absorbing properties were also investigated to explain seasonal patterns.Finally, UV irradiance was calculated and compared using different SSA datasets retrieved at Athens, Greece during 2009-2014; including SSA timeseries 8from UVMFR at 332 and 368 nm, SSA from AERONET at 440 nm, fromOMI satellite at 342.5 nm and AeroCom climatological database at 300 nm. Irradiances were estimated using a Radiative Transfer Model(RTM). UVA and UVB were estimated and found that using UVFMR retrieved SSA and AOD leads to significant drops. Performance of the modeled data was evaluated using Brewer measurements at 324 nm.Summarizing, this thesis deals with the improvement of knowledge and retrieval of atmospheric constituents that affect spectrally the Earth –Atmosphere radiative balance such as the total column ozone, the integrated water vapourand the columnar absorption properties of aerosols. For the case of TOC it provides evidence on the validity of a simple method that can be used by filter instruments and can contribute to the enhancement of the TOC measurement stations densityworldwide. For IWV a new method is proposed using the advantage of spectral direct sun measurements and for the case of aerosols it contributes to a scientifically open aspect dealing with the SSA columnar retrieval in the UV region

Optimal Estimation of Water Vapour Profiles using a Combination of Raman Lidar and Microwave Radiometer

In der vorliegenden Arbeit wird ein zweistufiger Algorithmus, das sogenannte Retrieval, zur Ableitung von Wasserdampfprofilen aus einer Kombination von Ramanlidar und Mikrowellenradiometer zur operationellen Anwendung vorgestellt. Beide Instrumente kamen während einer groß angelegten Kampagne nahe Jülich im Frühjahr 2013 zum Einsatz (HOPE). Ziel der Arbeit ist es, kontinuierliche Zeitreihen der vertikalen Wasserdampfverteilung abzuleiten. Dies erfordert eine Kalibrierung des Ramanlidars. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein automatisches Kalibrierschema entwickelt, welches auf dem integrierten Wasserdampfgehalt abgeleitet aus Mikrowellenradiometermessungen basiert. Die Methode zeigt eine gute Übereinstimmung mit herkömmlichen Ansätzen, welche auf Radiosondenaufstiegen beruhen. Der Kalibrierfaktor ist sehr stabil mit einer relativen Abweichung von 5 %. Diese Stabilität bietet den Vorteil, das Lidar auch unter bewölkten Bedingungen zu kalibrieren. Hierfür wird der Kalibrierfaktor des letzten wolkenfreien Zeitraums herangezogen. Dies ermöglicht die kontinuierliche Messung von Wasserdampfprofilen bis zu einer möglichen Wolkenbasis. Um verlässliche Wasserdampfinformationen innerhalb und oberhalb einer Wolke zu erhalten, wird ein zweistufiger Algorithmus angewandt. Der erste Schritt ist ein Kalman Filter, der die an der Wolkenbasis abgeschnittenen Wasserdampfprofile vom Ramanlidar mittels eines vorherigen Profils zu einem kompletten Profil (bis zu 10 km) kombiniert. Das komplette Wasserdampfprofil dient dann als Input für die eindimensionale variationelle (1D- VAR) Methode, auch als optimale Schätzung bekannt. Für dieses Profil werden die Helligkeitstemperaturen simuliert, die das Mikrowellenradiometer in der gegebenen Atmosphäre messen würde und anschließend mit den tatsächlich gemessenen verglichen. Das Profil wird dann iterativ entsprechend seiner Fehlerbalken so lange modifiziert, bis die modellierten mit den gemessenen Helligkeitstemperaturen hinreichend übereinstimmen. Die Funktionsweise des Retrievals wird mit Hilfe von Fallstudien unter verschiedenen Bedingungen detailliert beleuchtet. Eine statistische Analyse zeigt, dass die Verfügbarkeit von Ramanlidardaten (nachts) die Genauigkeit der abgeleiteten Profile verbessert. Tagsüber resultiert das Fehlen der Lidarinformationen in größeren Unterschieden zu Referenzradiosonden. Die Datenabdeckung der kompletten Lidarprofile von 17 % während der zweimonatigen Kampagne wird durch Anwendung des Retrievals auf 60 % signifikant erhöht. Da die relative Feuchte oft mals ein nützliches Maß für die Beschreibung von Wolkenbildung und Aerosolwachstum ist, wird die Bestimmung der relativen Feuchte aus den abgeleiteten Profilen unter verschiedenen Temperaturannahmen behandelt. Die Annahme eines Temperaturprofils vom Mikrowellenradiometer resultiert in einem absoluten Bias von 4.7 g/kg . Weiterhin wird in der Arbeit die flexible und vielfältige Anwendung des Retrievals an verschiedenen Messstationen in Jülich, Lindenberg und auf dem Forschungsschiff Polarstern sowie unterschiedlichen Ramanlidargeräten und Mikrowellenradiometern präsentiert. Ein besonders hervorzuhebender positiver Aspekt der Arbeit ist die Implementierung des Retrievals in die Cloudnet-Prozessierung, welche die Untersuchung von Wolken und Niederschlag bereichert. Die gewonnenen Profile werden außerdem für eine Evaluierung des Klima- und Vorhersagemodells ICON verwendet

Technology Needs Assessment of an Atmospheric Observation System for Multidisciplinary Air Quality/Meteorology Missions, Part 2

The technology advancements that will be necessary to implement the atmospheric observation systems are considered. Upper and lower atmospheric air quality and meteorological parameters necessary to support the air quality investigations were included. The technology needs were found predominantly in areas related to sensors and measurements of air quality and meteorological measurements

Summaries of the Sixth Annual JPL Airborne Earth Science Workshop

This publication contains the summaries for the Sixth Annual JPL Airborne Earth Science Workshop, held in Pasadena, California, on March 4-8, 1996. The main workshop is divided into two smaller workshops as follows: (1) The Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) workshop, on March 4-6. The summaries for this workshop appear in Volume 1; (2) The Airborne Synthetic Aperture Radar (AIRSAR) workshop, on March 6-8. The summaries for this workshop appear in Volume 2

Laboratory Studies of the Electromagnetic Properties of Saline Ice: A Multi-disciplinary Research Plan Submitted to the Office of Naval Research

This plan describes laboratory and theoretical research to be carried out under the Sea Ice Electromagnetics Accelerated Research Initiative of the Office of Naval Research. The plan is built around three broad objectives: 1) to understand the mechanisms and processes that link the orphological/physical and the electromagnetic properties of sea ice; 2) to further develop and verify predictive models for the interaction of visible, infrared and microwave radiation with sea ice; 3) to develop and verify selected techniques in the mathematical theory of inverse scattering that are applicable to problems arising in the interaction of EM radiation with sea ice. The plan will be executed by over 30 investigators from 15 institutions. Research includes measuring and quantifying the physical properties of sea ice, collecting radiometric signatures of different ice types and morphologies, developing and testing forward models of scattering and emission from sea ice, and developing and testing inverse models to extract geophysical data about sea ice from remotely sensed data. Experiments will begin in January of 1993 at the Cold Regions Research and Engineering Laboratory in Hanover, New Hampshire. Work will focus around studies on the Geophysical Research Facility which is a new, concrete lined pool filled with saline water. The facility can be shielded from local fluctuations in weather by using a movable roof and refrigerated blanket. Three measurement series are planned for the winter of 1993. These will focus on collecting data on the microwave and optical properties of an undeformed ice sheet grown from the melt. Measurements to resolve the contributions of volume and surface scattering to sea ice signatures will be performed on an artificially roughened ice sheet. A snow covered ice sheet will be created to study the effects of brine wicking and scattering from snow grains on electromagnetic signatures. Data from these measurements will be used to evaluate the performance of existing forward models. The data will also be used to begin the development of inverse models.The Office of Naval Researc

Internet of Things for Environmental Sustainability and Climate Change

Our world is vulnerable to climate change risks such as glacier retreat, rising temperatures, more variable and intense weather events (e.g., floods, droughts, and frosts), deteriorating mountain ecosystems, soil degradation, and increasing water scarcity. However, there are big gaps in our understanding of changes in regional climate and how these changes will impact human and natural systems, making it difficult to anticipate, plan, and adapt to the coming changes. The IoT paradigm in this area can enhance our understanding of regional climate by using technology solutions, while providing the dynamic climate elements based on integrated environmental sensing and communications that is necessary to support climate change impacts assessments in each of the related areas (e.g., environmental quality and monitoring, sustainable energy, agricultural systems, cultural preservation, and sustainable mining). In the IoT in Environmental Sustainability and Climate Change chapter, a framework for informed creation, interpretation and use of climate change projections and for continued innovations in climate and environmental science driven by key societal and economic stakeholders is presented. In addition, the IoT cyberinfrastructure to support the development of continued innovations in climate and environmental science is discussed