Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7242
Validation of target parameters of ENVISAT chemistry
instruments with correlative balloon observations obtained by MIPAS-B
Guochang Zhang
Abstract
Mankind is facing the challenges of climate anomaly and air
pollution. Pollution control and the understanding of climate anomaly depend on
long-term, accurate, and extensive observations of the atmosphere. On 1 March,
2002, the ENVISAT satellite was launched by ESA. It is an advanced
polar-orbiting Earth observation satellite with three chemistry instruments for
remote sounding of trace gases in the atmosphere. These three instruments are
MIPAS, SCIAMACHY, and GOMOS. Since then, they have produced numerous data. For
the proper application in scientific research and other fields, these data have
to be validated by different approaches. One of them is intercomparison between
these data and independent measurements from other instruments.
MIPAS-B is a well-established Fourier transform spectrometer
operated onboard balloons. Embedded in the ENVISAT validation programme of the
chemical instruments, three balloon flights were carried out with MIPAS-B from
Aire sur l’Adour, France, on 24/25 September 2002, from Kiruna, Sweden,
on 20/21 March 2003, and again from Kiruna, on 2/3 July 2003. The temperature
profiles and the volume mixing ratio (VMR) profiles of H2O, O3,
HNO3, CH4, N2O, and NO2 were
retrieved carefully from the MIPAS-B spectra measured during these flights.
The quality of coincidence in space and time between MIPAS-B
and MIPAS-ENVISAT observations for these three flights is excellent (except for
the temporal offset in the third flight), providing the opportunities to check
the MIPAS data under favourable conditions. To enhance the statistics of the
validation, the trajectory comparison approach was applied. In addition, for
the validation of NO2 which is a chemically active gas, the MIPAS-B
NO2 data were photochemically adjusted with the help of the KASIMA
chemical model. The validation of MIPAS off-line data V4.61 was carried out
between 356 and 3 hPa (8-39 km), but for NO2 only between 42 and 3
hPa (22-39 km).
The individual comparisons show that the discrepancies of all
target parameters exceed the combined total errors at certain levels of
altitude. The statistical results validate the accuracy of MIPAS-ENVISAT data
for temperature and the six key gas species―H2O, O3,
HNO3, CH4, N2O, and NO2 in the
overlapping altitude region. The exception is H2O in the region of
356-195 hPa (8-12 km). Agreements in the middle stratosphere are better than in
the lower stratosphere and upper troposphere. In the altitude region of 123-8
hPa (15-33 km) (for NO2, the region is 23-8 hPa (26-33 km)), the
precision of MIPAS-ENVISAT data for H2O, O3, CH4,
NO2 was validated, which is not the case for HNO3 and N2O.
As regards temperature, the precision was validated in principle above the
altitude of about 17 hPa, but not below this level.
MIPAS-ENVISAT measurements for H2O show a positive
bias above the altitude of about 20 hPa, though the bias is still within the
combined total errors. Besides, the MIPAS-ENVISAT H2O profiles often
reveal strong oscillations. Between about 195 hPa and 80 hPa (12-18 km),
MIPAS-ENVISAT measured high values for CH4 and N2O. Below
the level of about 80 hPa (18 km), CH4 and N2O profiles
of MIPAS-ENVISAT show strong oscillations, sometimes leading even to unphysical
values. Oscillations occasionally occur in the HNO3 and NO2
profiles.
The conclusions drawn for the SCIAMACHY O3 and NO2
data as analysed with the scientific processor of the IUP/IFE are based on
trajectory comparison results. The SCIAMACHY accuracy for O3 was
validated in the 9-28 km altitude range. Above 26 km, SCIAMACHY data start to
show a positive bias that exceeds the combined total errors above 28 km. The
accuracy of NO2 data was validated between 9-39 km with mean
differences smaller than 0.52 ppbv or 6.3%.
Only one O3 profile and one NO2 profile
of GOMOS off-line data V6.01 were compared with MIPAS-B correlative
measurements using a coincident comparison approach. Preliminary results show
that GOMOS measurements for O3 and NO2 agree with MIPAS-B
data with respect to their combined errors in general. The O3 and NO2
profiles of GOMOS oscillate with large amplitude especially in the upper altitude
region. It is impossible to give any statistical conclusion for GOMOS data from
the point of MIPAS-B data so far.
Validierung von Zielparametern
der Chemieinstrumente auf ENVISAT mit MIPAS-Ballonmessungen
Zusammenfassung
Die größten
Herausforderungen, denen der Mensch derzeit gegenübersteht, sind die
Klimaänderung und Luftverschmutzung. Um die Schadstoffkonzentration zu
überwachen und den Klimawechsel genau zu verstehen bedarf es langfristiger,
präziser und umfassender Beobachtungen der Atmosphäre. Am 1. März 2002 startete
die ESA den Satelliten ENVISAT. Hierbei handelt es sich um einen
hochentwickelten, auf einer polaren Umlaufbahn ausgesetzten
Erdbeobachtungssatelliten, der mit drei chemischen Messgeräten für die
Fernerkundung von Spurengasen in der Atmosphäre ausgerüstet ist: MIPAS,
SCIAMACHY und GOMOS. Mittlerweile haben diese Instrumente eine große Datenmenge
produziert. Für die Nutzung in der wissenschaftlichen Forschung und anderen
Bereichen müssen diese Daten validiert werden. Dazu werden verschiedene
Methoden eingesetzt. Eine davon besteht in einem Vergleich dieser Daten mit
unabhängigen Messungen anderer Instrumente.
MIPAS-B ist ein an
Bord von Ballons eingesetztes Fourier-Transform-Spektrometer. Im Rahmen des
ENVISAT-Validierungsprogramms der chemischen Messgeräte wurden drei Ballonflüge
mit MIPAS-B durchgeführt. Diese starteten am 24./25. September 2002 in Aire sur
l’Adour, Frankreich, am 20./21. März 2003 in Kiruna, Schweden und am
2./3. Juli 2003 wieder in Kiruna. Auf der Grundlage der während dieser Flüge
gemessenen MIPAS-B-Spektren wurden die Temperaturprofile und die Profile für
das Volumenmischungsverhältnis von H2O, O3, HNO3,
CH4, N2O sowie NO2 bestimmt.
Die räumliche und
zeitliche Übereinstimmung der MIPAS-B- und MIPAS-ENVISAT-Beobachtungen ist für
diese drei Flüge hervorragend (mit Ausnahme des zeitlichen Unterschieds beim 3.
Flug). Damit ist eine Überprüfung der MIPAS-Daten sehr gut möglich. Um die
statistische Grundlage für die Validierung zu erweitern, wurde außerdem die
Methode des Trajektorienvergleichs eingesetzt. Für die Validierung der Werte
für NO2, ein chemisch aktives Gas, wurden die MIPAS-B-Daten für NO2
mit Hilfe des chemischen Modells KASIMA photochemisch angepasst. Die
MIPAS-Offline-Daten V4.61 konnten zwischen 356 und 3 hPa (8 – 39 km)
validiert werden, für NO2 konnte nur der Bereich zwischen 42 und 3
hPa (22 – 39 km) verglichen werden.
Die Vergleiche
zeigen, dass die Abweichungen aller Zielparameter in bestimmten Höhen den
kombinierten Gesamtfehler überschreiten. Die statistischen Ergebnisse
bestätigen die Genauigkeit der MIPAS-ENVISAT-Daten für die Temperatur und die 6
wichtigsten Gasverbindungen H2O, O3, HNO3, CH4,
N2O und NO2 im überlappenden Höhenbereich. Eine Ausnahme
ist H2O im Bereich zwischen 356 und 195 hPa (8 – 12 km). Die
Werte zeigen in der mittleren Stratosphäre eine bessere Übereinstimmung als in
der unteren Stratosphäre und der oberen Troposphäre. Im Höhenbereich von 123
– 8 hPa (15 – 33 km) (für NO2 zwischen 23 und 8 hPa (26
– 33 km)) wurde die sog. Präzision der MIPAS-ENVISAT-Daten für H2O,
O3, CH4 und NO2 validiert; für HNO3
und N2O war dies nicht der Fall. Die Präzision der Temperaturbestimmung
konnte generell in Höhen über etwa 17 hPa, nicht aber unterhalb davon validiert
werden.
Die
MIPAS-ENVISAT-Messungen für H2O zeigen eine positive Abweichung in
Höhen oberhalb von etwa 20 hPa, die aber immer noch im Rahmen des Gesamtfehlers
liegt. Darüber hinaus zeigen die H2O-Profile von MIPAS-ENVISAT oft
starke Schwankungen. Zwischen etwa 195 hPa und 80 hPa (12 – 18 km) wurden
von MIPAS-ENVISAT hohe Werte für CH4 und N2O gemessen. In
Höhen unterhalb von etwa 80 hPa (18 km) weisen die CH4- und N2O-Profile
von MIPAS-ENVISAT starke Schwankungen, manchmal sogar physikalisch nicht
erklärbare Werte auf. Die HNO3- und NO2-Profile zeigen
dagegen nur gelegentlich Schwankungen.
Die von SCIAMACHY
mit Hilfe des Prozessors der IUP/IFE gemessenen O3- und NO2-Werte
wurden einem Trajektorienvergleich unterzogen. Damit ließ sich die Genauigkeit
des SCIAMACHY-Messinstruments für O3 im Höhenbereich von 9 –
28 km validieren. Oberhalb von 26 km zeigen die SCIAMACHY-Daten eine positive
Abweichung. Oberhalb von 28 km liegt diese über dem Gesamtfehler. Die
Genauigkeit der NO2-Daten wurde zwischen 9 und 39 km validiert. Die
mittleren Abweichungen betrugen unter 0,52 ppbv oder 6,3 %.
Lediglich ein O3-Profil
und ein NO2-Profil der GOMOS-Offline-Daten V6.01 wurden mit Hilfe
der Koinzidenzmethode mit den MIPAS-B-Messungen verglichen. Vorläufige
Ergebnisse zeigen, dass die GOMOS-Messungen für O3 und NO2
hinsichtlich ihrer Gesamtfehler mit den MIPAS-B-Daten übereinstimmen. Die O3-
und NO2-Profile von GOMOS schwanken mit einer größeren Amplitude,
insbesondere im oberen Höhenbereich. Statistische Schlussfolgerungen für die
GOMOS-Daten im Vergleich zu den MIPAS-B-Daten können jedoch noch nicht gezogen
werden.
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