versatile qa / validation system - earth online · belgisch instituut voor ruimte-aeronomie...
TRANSCRIPT
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
1
Versatile QA / validation system for the evaluation of atmospheric (ozone) data retrievals from GOME to the Copernicus Sentinels Era
A. Keppens, J. Granville, D. Hubert, T. Verhoelst, S. Compernolle, J.-C. Lambert Acknowledgements: ESA CCI Ozone, BELSPO/ProDEx TROVA ESA ACVE, 18-20 October 2016, ESA-ESRIN, Frascati (Rome), Italy
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
Royal Belgian Institute for Space Aeronomy
Institut royal d’Aéronomie spatiale de Belgique
Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
2
A. Keppens, J. Granville, D. Hubert, T. Verhoelst, S. Compernolle, J.-C. Lambert Acknowledgements: ESA ACVE, 18-20 October 2016, ESA-ESRIN, Frascati (Rome), Italy
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
Royal Belgian Institute for Space Aeronomy
Institut royal d’Aéronomie spatiale de Belgique
Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aëronomie
Versatile QA / validation system for the evaluation of atmospheric (ozone) data retrievals from GOME to the Copernicus Sentinels Era
custom/scientific operational
examples
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
3
QA / validation system
mismatch error talk by Tijl Verhoelst
this presentation
terms and definitions poster by Steven
Compernolle
homogeneity talk by Daan Hubert
MIPAS L2 evolution talk by Daan Hubert
SCIAMACHY L2 evolution poster
AURORA poster by Ugo Cortesi
NDACC talk by Bavo Langerock
CCI validation poster by Andy Delcloo
EVDC talk by Ann Mari Fjaeraa
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
4
All satellite & ground data in harmonised MAT / NC format (CF / GEOMS / HARP convention)
Overpass model & satellite data (or links) calculated/predicted and stored separately
Integrated outlier checks "Correlative-2" section: NDACC/SHADOZ/GAW Dobson,
Brewer, sonde, lidar, FTIR, MWR Harmonised in-house format Operational weekly sync
Correlative database + interface
Satellites
Networks
Campaigns
DA / CTM
CORRELATIVE DATABASE
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
5
QA / validation chain: Needs
Validation is not straightforward, due to the complexity and variety of retrieval approaches, vertical smoothing, natural variability of (ozone) field, etc. Quality Indicators must enable users to assess the fitness-for-purpose of the data Many Quality Indicators cannot be accessed by classical comparisons with reference measurements
VALIDATION CHAIN MULTI-TASTE
Translation
User requirements
QA / VAL requirements
Quality Indicators
Analysis
Satellites
Networks
Campaigns
DA / CTM
CORRELATIVE DATABASE Selection
Co-locator
Harmonisation
Comparator
Reporting
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
6
QA / validation chain: Specifications
1. Unbroken chain
2. Full traceability of data products, data manipulations, and associated uncertainties
3. Versatile in input and output
4. Tuneable expert system using switches (multiple paths)
VALIDATION CHAIN MULTI-TASTE
Translation
User requirements
QA / VAL requirements
Quality Indicators
Analysis
Satellites
Networks
Campaigns
DA / CTM
CORRELATIVE DATABASE Selection
Co-locator
Harmonisation
Comparator
Reporting
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
7
QA / validation chain: 10-step
1. Translation of user requirements into validation requirements
2. Data selection / filtering 3. Data co-location 4. Data homogenisation:
representation conversion 5. Comparative studies 6. Reporting 7. Derivation of Quality Indicators 8. Analysis / compliance check Data content studies Information content studies
VALIDATION CHAIN MULTI-TASTE
Translation
User requirements
QA / VAL requirements
Quality Indicators
Analysis
Satellites
Networks
Campaigns
DA / CTM
CORRELATIVE DATABASE Selection
Co-locator
Harmonisation
Comparator
Reporting
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
8
Processing: Data harmonisation
• Expected to reduce comparison errors due to differences in • prior (shape, weight, constraint) • vertical and horizontal resolution / sensitivity • air mass sampling (space-time mismatch)
• Yet introduces (hopefully smaller) data manipulation uncertainties related to • representation change: unit conversion,
regridding, integration… • smoothing approach and its technical
implementation (including unknown uncertainties on Averaging Kernels)
• model uncertainties Thus need for characterisation and propagation of uncertainties, as pioneered in EU FP7 QA4ECV and H2020 GAIA-CLIM
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
9
Processing: Vertical matching
Distinction between: • Concentration (point) quantities • Column (integrated) quantities
Regridding methods: • Linear • Transpose linear • Pseudo-inverse linear • Pseudo-inverse linear over joint
super-grid (Calisesi, 2005) • Mass-conservation • Mass-conservation over super-grid
Smoothing using Averaging Kernel or predefined shape: Gaussian, box, triangle
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
10
Processing: Practical implementation
Scientific/custom code tools E.g. Ozone-CCI / Envisat QWGs • create GND station/instrument list from val. criteria • select ‘best’ of multiple sources • read + filter GND data (only once) • limit space-time window to months/stations with good
GND data • read + filter SAT overpass data
(possibly several versions for delta-validation) • limit SAT data to common profiles of all versions
(for delta-validation) • co-locate measurements (possibly altitude-dependent) • extract coincidences (temporal) • keep closest pairs only (every profile used only once) • harmonise vertical coordinates and profile units • determine observables for regridding • regrid profile, VCM, AKM (several options) • smooth profile (several options) • determine vertical (range clipping / integration) • identify dependences • determine statistics • plotting tools
Operational NORS/HARP tools E.g. TROPOMI MPC VDAF Programming packages: • harp.ingest_product from "ingestion definitions" • harp.import_product Command line tools: • harpconvert • harpcheck • harpdump • harpfilter • harpcollocate
• collocation • obtaining collocation result • resampling collocation result
• harpprofile • resampling • smoothing
• harpmerge • online/offline combination • online visualisation S5P MPC talk by
Pepijn Veefkind
HARP talk and demo by Sander
Niemeijer
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
11
QA / validation chain: 10-step
1. Translation of user requirements into validation requirements
2. Data selection / filtering 3. Data co-location 4. Data homogenisation:
representation conversion 5. Comparative studies 6. Reporting 7. Derivation of Quality Indicators 8. Analysis / compliance check Data content studies Information content studies
VALIDATION CHAIN MULTI-TASTE
Translation
User requirements
QA / VAL requirements
Quality Indicators
Analysis
Satellites
Networks
Campaigns
DA / CTM
CORRELATIVE DATABASE Selection
Co-locator
Harmonisation
Comparator
Reporting
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
12
Goal: Broad view on data content and dependences, both before and after screening / co-location Typically histograms and scatter plots combining • Physical state quantities: time, latitude, longitude,
altitude/pressure, temperature, SZA, TPH, CF, SA, etc. • Retrieval properties: iterations, chi-square, cost function, flags • Retrieval outcomes: V/SCD, atmospheric state profile • Co-location settings: spatial distance, time difference
Data content studies
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
13
Data content studies: Screening
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
14
GOME-2A co-locs. with Uccle (Jan. 2008) IASI co-locs. with Uccle (Jan. 2008)
Data content studies: Co-location
Ozonesonde Lidar
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
15
• Objective: Characterise sensitivity of retrieval to actual atmospheric profile: number of independent layers (DFS), Fisher information content, vertical sensitivity and resolution of the profile, height registration error (centroid offset)…
• Information content and properties are estimated from linear analysis of vertical Averaging Kernel matrix (AKM), product of Jacobians of inverse and forward models
• Dependence on SZA, SCD, clouds, instrumental degradation, etc. (if implemented in forward and/or inverse model)
• Fractional kernels required for unit-independent analysis!
Information content studies
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
16
Information content studies
Backus-Gilbert spread Direct FWHM
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
17
Information content studies
SCD [DU]
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
18
• Comparison plots and tables • Bias and spread estimates • Statistical significance and chi-square testing • Difference error contributions (and EBC, cf. OSSSMOSE) • L2/3/4 assessments • Delta-validation for algorithm evolution • Validity in horizontal, vertical, temporal domains • Dependences on influence quantities • Trend and drift studies
Comparative studies
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
19
Comparative studies IASI 2008 NH
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
20
Comparative studies
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
21
Summary
BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERONOMIE SPATIALE DE BELGIQUE BELGIAN INSTITUTE OF SPACE AERONOMY BELGISCH INSTITUUT VOOR RUIMTE-AERONOMIE INSTITUT D’AERO
[ ar
no.k
eppe
ns @
]
22
A versatile QA/validation system is presented: • Containing a correlative database and an
unbroken and fully traceable validation chain • Including a suite of data manipulations and studies yielding
complementary perspectives on data quality: Detailed data and information content studies Careful / traceable treatment of representation, sampling, smoothing issues Comparisons with respect to ground-based reference measurements and
multivariate statistical analysis
• Providing quality indicators enabling air quality and climate data users to assess the fitness-for-purpose of the data
• Versatile & tuneable: Applicable to different sensors, retrieval approaches, reference data sources, etc.
• Currently operationalised for the Copernicus Sentinel-4/5(p)
Summary