major&upgrades&to&the&airs&version66&& … · global average 2002 2004...

17
Major Upgrades to the AIRS Version6 Water Vapor Profile Methodology + Joel Susskind, John Blaisdell, Lena Iredell, and Jae N. Lee NASA GSFC Sounder Research Team (SRT) CERES Science Team Mee:ng, LaRC, VA, May 6, 2015 + This presenta:on is based on the material presented at AIRS science team mee:ng in April, 2015 (Pasadena, CA).

Upload: others

Post on 03-Aug-2021

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Major  Upgrades  to  the  AIRS  Version-­‐6    Water  Vapor  Profile  Methodology+  

 Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  and  Jae  N.  Lee  

 NASA  GSFC  Sounder  Research  Team  (SRT)  CERES  Science  Team  Mee:ng,  LaRC,  VA,  May    6,  2015  

+  This  presenta:on  is  based  on  the  material  presented  at  AIRS    science  team  mee:ng  in  April,  2015  (Pasadena,  CA).  

Page 2: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Background                AIRS  Version-­‐6  was  finalized  in  late  2012  and  is  now  opera:onal.    Version-­‐6  contained  many  significant  improvements  in  retrieval  methodology  compared  to  Version-­‐5.  

  However,  Version-­‐6  retrieval  methodology  used  for  the  water  vapor  profile  q(p)  retrievals  is  basically  unchanged  from  Version-­‐5,  or  even  from  Version-­‐4.  Subsequent  research  has  made  significant  improvements  in  water  vapor  profiles  since  2013  compared  to  Version-­‐6.    

  A  further  updated  algorithm  is  planned  to  be  opera:onal  in  2016*.  This  talk  will  concentrate  on  improvements  in  Version-­‐6.19  water  vapor  retrievals  compared  to  Version-­‐6.  

   

   

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

V3  V6.19  V6  

V5  V4              V6-­‐X  

2012   2013   2014   2016*  

Page 3: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Major  Problem  with  Version-­‐6  and  Water  Vapor  Results  

 Users  no:ced  spurious  day/night  differences  in  AIRS  V6  water  vapor.    June  Wang  at  SUNY  Albany  showed  in  the  last  AIRS  Science  Team  Mee:ng  that  Version-­‐6  total  precipitable  water  WTOT  has  a  spurious  feature  in  that  global  mean  day:me  WTOT  is  considerably  lower  than  global  mean  nighcme  WTOT.    

 Andrey  Savtchenko  at  the  DISC  showed  that  this  feature  is  not  found  in  either  microwave  only  or  MERRA  reanalysis  WTOT  data  sets.  Version-­‐6.19  did  not  recognize  the  existence  of  this  spurious  feature.  

  CERES  MERRA  evalua:on  team  in  the  comparison  of  AIRS  and  MERRA2  also  no:ced  large  day/night  differences  in  AIRS  V6  water  vapor.  

 

     

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Page 4: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Global Average

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016year

2122232425262728

TotH

2OV

ap [m

m]

v6 Ascv6 DescMSAQC AscMSAQC Desc

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Ocean Only

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016year

24

25

26

27

28

TotH

2OV

ap[m

m]

v6 AIRS/AMSUv6 AIRS/AMSUMSAQC AscMSAQC Desc

Ocean Only

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016year

2425

26

27

28

2930

TotH

2OV

ap [m

m]

v6 AIRS/AMSUv6 AIRS/AMSUv6 AMSU-Only v6 AMSU-Only AMSR-E

Bias  in  AIRS  V6  Total  Water  Vapor  during  Day:me      Courtesy  of  Thomas  Hearty  

•   ~7%  Day/night  difference  does  not  exist  in  “MERRA”  and      “AIRS  V6  AMSU-­‐only”.  

Asc

Asc

Dsc

Dsc

•   MERRA  is  sampled  like  AIRS  (sun-­‐synchronous),  using  AIRS  V6  quality  criteria.    

• Ascending:  day  :me  V6  water  vapor  is  off  from  MERRA  sampled  like  AIRS.  

MERRA  Asc

AMSU  only  

Page 5: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

AIRS V6

AIRS MW

MERRA sampled like AIRS

TotH

2O (k

g m

-2)

Bias  in  AIRS  V6  Total  Water  Vapor  during  Day  (Global)      Courtesy  of  Andrey  Savtchenko  

•  The  global  mean  total  water  vapor  is  es:mated  by  removing  6  PCs  (annual,  semi-­‐annual,  ENSO,  decadal,  etc).  

•  The  day/night  difference  in  the  column  water  vapor  in  MERRA  sampled  like  AIRS,  and    AIRS  AMSU  ,  is  considerably  less  than  in  the  AIRS  V6      retrieval.  

 

 

~5%  

1:30AM  

1:30AM  

1:30PM  

1:30PM  

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Page 6: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Version-­‐6.19  Updates  to  Water  Vapor  Profile  Retrieval  

1.   Removed  shortwave  channels  centered  on  weak  water  vapor  lines        -­‐>  These  channels  were  the  cause  of  the  spurious  day:me  water  vapor  results  2.  Added  many  channels  on  weak  water  lines  in  the  longwave  window  region          -­‐>  Helped  water  vapor  retrievals  in  the  boundary  layer  3.  Removed  peaks  of  strongest  water  vapor  lines      -­‐>  They  were  hur:ng  upper  tropospheric  water  vapor  retrievals  

1  

2  

3  

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Page 7: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

4.  Added  a  second  pass  water  vapor  retrieval  step  -­‐>This  slows  down  the  retrieval  process  but  improved  water  vapor  results  

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Radiances     Neural  Net  retrieval    

Cloud  Clearing  1    

-­‐  Surface  temperature  -­‐  Temperature  -­‐  Longwave  emissivity  -­‐  Water  -­‐  Ozone    

Sequen:al  Physical  Retrieval  1  

PASS  I  

Cloud  Clearing  2    

1.  Surface  temperature  2.  Temperature  3.  Longwave  emissivity  4.  Water  5.  Ozone    

PASS  II  

Sequen:al  Physical  Retrieval  2  

Page 8: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Version-­‐6.19      1.  Addi:onal  changes  in  Version-­‐6.19  include  all  previous  updates  made  to  the  q(p)  retrieval  since  Version-­‐6:    

 Modified  Neural-­‐Net  q0(p)  guess  above  the  tropopause    Linearly  tapers  the  neural  net  guess  to  match  climatology  at  70  mb,  not  at  the  top  of  the  atmosphere  

  Changed  the  11  trapezoid  q(p)  perturba:on  func:ons  used  in        Version-­‐6  so  as  to  match  the  24  func:ons  used  in  T(p)  retrieval  step  

   2.  These  modifica:ons  resulted  in  improved  water  vapor  profiles  in  Version-­‐6.19  compared  to  Version-­‐6.  

 Version-­‐6.19  is  tested  for  all  of  August  2013  and  August  2014,  as  well  for  select  other  days.  Before  finalized  and  opera:onal  in  2016,  the  V-­‐6.19  can  be  acquired  upon  request  for  limited  :me  intervals.            

       

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Page 9: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Global  Water  Vapor  Profile  July  15,  2013                        1  Km  Layer  Precipitable  Water                

                               RMS  %  Differences  from  ECMWF                Bias  %  Differences  from  ECMWF  

Version-­‐6      1:30  AM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  Version-­‐6      1:30  PM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  Version-­‐6.19    1:30  AM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  Version-­‐6.19    1:30  PM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  

a b

Version-­‐6.19  q(p)  accuracy  is  improved  compared  to  Version-­‐6  at  all  levels,  especially  in  the  mid-­‐lower  troposphere  during  the  day,  in  NH  summer.  

Page 10: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Global  Water  Vapor  Profile  December  4,  2013                        1  Km  Layer  Precipitable  Water                

                               RMS  %  Differences  from  ECMWF                Bias  %  Differences  from  ECMWF  

Version-­‐6      1:30  AM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  Version-­‐6      1:30  PM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  Version-­‐6.19    1:30  AM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  Version-­‐6.19    1:30  PM        Climate  (QC=0,1;      Pgood)  

ba

Version-­‐6.19  q(p)  accuracy  is  improved  compared  to  Version-­‐6  at  all  levels,  especially  in  the  mid-­‐lower  troposphere  during  the  day,  in  NH  winter.    

Page 11: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

                 Global  Mean=    2.60      STD=  1.58        %Fill=82.15                                    Global  Mean=    2.58      STD=  1.58        %Fill=83.33  

                       Global  Mean=    2.60      STD=  1.61      %Fill=84.19                                          Global  Mean=    2.41      STD=  1.52        %Fill=85.10  Spurious  day/night  difference  in  Version-­‐6  global  mean  total  precipitable  water  is  removed  in  Version-­‐6.19.  

                             Version-­‐6.19              1:30  AM                                  Version-­‐6              1:30  AM  

                         Version-­‐6.19              1:30  PM                                  Version-­‐6            1:30  PM  

Page 12: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

                       Global  Mean=    0.08      STD=  0.24          Corr=  0.99                                          Global  Mean=    0.08      STD=  0.28        Corr=  0.99  

Total  Precipitable  Water  (cm)        July  15,  2013  

                       Global  Mean=    0.10      STD=  0.22          Corr=  0.99                                          Global  Mean=    -­‐0.08      STD=  0.36      Corr=  0.98  Version-­‐6.19  total  precipitable  water  agrees  beser  with  ECMWF  during  the  night,  and  much  beser  with  ECMWF  during  the  day,  especially  in  high  cloud  regions.  

       Version-­‐6.19    1:30  AM  minus  ECMWF              Version-­‐6    1:30  AM  minus  ECMWF  

     Version-­‐6.19    1:30    PM  minus  ECMWF            Version-­‐6    1:30    PM  minus  ECMWF  

Page 13: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

               Global  Mean=    0.02      STD=  0.19          Corr=  0.98                                        Global  Mean=    0.02      STD=  0.21        Corr=  0.98  

Total  Precipitable  Water  850  mb  to  top  (cm)        July  15,  2013  

                   Global  Mean=    0.05      STD=  0.18          Corr=  0.98                                        Global  Mean=    -­‐0.04      STD=  0.26        Corr=  0.97  Version-­‐6.19  total  precipitable  water  above  850  mb  is  also  more  accurate  than  Version-­‐6,  especially  during  the  day.    

   Version-­‐6.19    1:30  AM  minus  ECMWF          Version-­‐6    1:30  AM  minus  ECMWF  

       Version-­‐6.19    1:30  PM  minus  ECMWF        Version-­‐6      1:30  PM  minus  ECMWF  

Page 14: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

                                 Global  Mean=    1.56    STD=  0.03        %Fill=  89.07                                      Global  Mean=    1.16      STD=    0.26        %Fill=  89.07  

Total  Precipitable  Water  50  mb  to  top  (mm*10000)        1:30  PM  

                               Global  Mean=    1.56    STD=  0.03        %Fill=  88.96                                      Global  Mean=    1.11      STD=    0.19        %Fill=  88.96  Version-­‐6  upper  stratospheric  water  vapor  showed  spurious  features  related  to  tropospheric  convec:on.  These  spurious  features  are  not  found  in  Version-­‐6.19.  AIRS  WV  observa:ons  do  not  contain  much  informa:on  above  200mb.  

                     Version-­‐6.19      July  15,  2013                                  Version-­‐6      July  15,  2013  

             Version-­‐6.19      December  4,  2013                  Version-­‐6      December  4,  2013  

Page 15: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Total  Precipitable  Water  (cm)      August  2013  

Version-­‐6.19  eliminates  the  spurious  day/night  difference  in  monthly  mean  global  mean  total  precipitable  water  found  in  Version-­‐6.  

Page 16: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Findings  with  Regard  to  Water  Vapor  Profile  Version-­‐6.19  water  vapor  profiles  are  more  accurate  than  Version-­‐6  in  a  number  of  ways:  

•  1  km  layer  precipitable  water  is  more  accurate  in  all  layers  day  and  night    This  is  especially  true  in  the  mid-­‐lower  troposphere  and  boundary  layer  at  1:30  PM  

•  The  spurious  dry  bias  in  Version-­‐6  lower  tropospheric  water  vapor  at  1:30  PM  has  been  eliminated  

 Even  more  significantly  •  The  spurious  ≈  7%  nega:ve  day  minus  night  difference  in  global  mean  total  precipitable  water  in  Version-­‐6  has  been  eliminated      The  bias  was  due  primarily  to  low  1:30  PM  values  in  regions  with  

 large  amounts  of  mid-­‐high  level  cloud  cover  •  In  addi:on,  Version-­‐6  had  very  unphysical  values  of  stratospheric  water  vapor  that  have  now  been  corrected,  or  at  least  improved  upon.          

       

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee  

Page 17: Major&Upgrades&to&the&AIRS&Version66&& … · Global Average 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 year 21 22 23 24 25 26 27 28 TotH2OVap [mm] v6 Asc v6 Desc MSAQC Asc MSAQC Desc

Future  plans     We  have  also  updated  ozone  retrieval  to  be  more  consistent  with  OMI.  

   We  would  like  to  see  more  AIRS  q(p)  and  ozone  comparison  with    MERRA  2  data  to  find  if  further  improvements  need  to  be  made.  

   We  can  provide  some  updated  V6.19  data  to  users.     Meanwhile,  we  plan  to  post  a  statement  on  ar:facts  of  day/night  differences  in  V6  total  column  water  on  the  AIRS  science  team  website.    

   AIRS  Science  Team  plans  to  reprocess  all  AIRS/AMSU  data  with  improved  retrieval  methodology  within  the  next  year.    

     

       

Joel  Susskind,  John  Blaisdell,  Lena  Iredell,  Jae  N.  Lee