Achtergrond

Meteosat satellietmetingen van bewolking, zonnestraling en neerslag

Satellietmetingen van bewolking zijn waardevol voor een groot aantal toepassingen, zowel voor de weersverwachting als in het klimaatonderzoek.

Met name geostationaire satellieten – gepositioneerd boven een vast punt op aarde – zijn daarbij bruikbaar omdat zij met hun hoge tijdoplossende vermogen het dynamische karakter van wolken goed kunnen observeren. Het KNMI werkt al geruime tijd aan methodes om gegevens over bewolking, zonnestraling en neerslag af te leiden uit de ruwe satellietbeelden van Meteosat. Recentelijk is een unieke, openbaar toegankelijke website (zie link: MSG Cloud Physical Properties) ontwikkeld waarop deze gegevens interactief kunnen worden bekeken.

Rol van wolken in de atmosfeer

Wolken spelen een centrale rol in de atmosfeer van de aarde. Ten eerste hebben ze grote invloed op het stralingsbudget. Wolken reflecteren en absorberen een deel van de inkomende kortgolvige zonnestraling, terwijl ze de uitgaande langgolvige straling absorberen en opnieuw emitteren (zie ook het kenniscentrum-artikel over de energiebalans van de aarde. Niet alleen de aan- of afwezigheid van bewolking is van invloed op de stralingscomponenten, maar ook de fysische eigenschappen van de wolken, zoals de hoogte, optische dikte, fase (water of ijs) en druppel-/ijskristalgrootte. Zo heeft een hoge en dus koude wolk een groter effect op de uitgaande langgolvige straling dan een lage, warme wolk, en reflecteert een wolk met kleinere druppels meer zonnestraling dan een wolk met grotere druppels. Een tweede rol die wolken spelen is in de hydrologische cyclus. Verdamping van water aan het aardoppervlak vormt de basis voor het ontstaan van wolken, terwijl dit water via neerslag uiteindelijk weer op de aarde belandt. Om bewolking en de gevolgen daarvan te kunnen bestuderen en om de representatie van wolken in weer- en klimaatmodellen te verbeteren, zijn metingen noodzakelijk. Satellietmetingen zijn daarbij uitermate geschikt vanwege hun grote ruimtelijk bereik.

Figuur 1: Meteosat-SEVIRI-beeld
Figuur 1: Meteosat-SEVIRI-beeld

Metingen

De hier gepresenteerde metingen komen van het SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager), instrument aan boord van de tweede generatie Meteosat-satellieten (MSG), waarvan EUMETSAT er sinds 2002 twee uit een serie van vier heeft gelanceerd. De lancering van MSG-3, die ook uitgerust is met SEVIRI, staat gepland op woensdag 5 juli a.s. De MSG-satellieten bevinden zich in een geostationaire baan op ongeveer 36.000 km hoogte boven een vast punt op de evenaar rond 0 graden lengte. Van daaruit maakt SEVIRI elk kwartier opnames van de aarde in twaalf golflengtegebieden (zie figuur 1). De ruimtelijke resolutie is 3x3 km2 recht onder de satelliet, maar neemt iets af richting de rand van het beeld.

Op het KNMI zijn rekenmethodes (het MSG-CPP algoritme, CPP=Cloud Physical Properties) ontwikkeld om uit de ruwe SEVIRI-metingen gegevens over bewolking af te leiden. De basis van deze methodes is het matchen van de door de satelliet gemeten straling met de door een model gesimuleerde straling voor een breed scala aan wolken. Op grond van de berekende wolkeneigenschappen wordt vervolgens ook een schatting gemaakt van de inkomende zonnesstraling aan de grond en van de neerslagintensiteit. Tabel 1 geeft een overzicht van alle beschikbare parameters.

Tabel 1: Overzicht van parameters afgeleid uit Meteosat-SEVIRI-metingen en beschikbaar op de MSG-CPP website.

Parameter Naam op website Eenheid Opmerking
Wolken cloud    
bedekking cover [-]  
top hoogte top height [m]  
top temperatuur top temperature [K]  
thermodynamische fase thermodynamic phase [-] water of ijs
optische dikte optical thickness [-]  
deeltjesgrootte particle size [µm]  
gecondenseerd waterpad condensed water path [g/m2] hoeveelheid wolkenwater of -ijs in een verticale kolom
geometrische dikte geometrical thickness [m] alleen voor waterwolken
druppelconcentratie number concentration [1/cm3] alleen voor waterwolken
Inkomende zonne-straling aan de grond Surface downwelling shortwave radiation    
globaal (=totaal) global [W/m2]  
globaal, heldere hemel global, clear sky [W/m2]  
diffuus diffuse [W/m2] nog niet op de website
diffuus, heldere hemel diffuse, clear sky [W/m2] nog niet op de website
Neerslag Precipitation    
intensiteit rate [mm/hr]  

Validatie

Om vertrouwen te krijgen in de satellietmetingen en de kwaliteit te kunnen bepalen is een vergelijking met onafhankelijke metingen noodzakelijk. Dit proces wordt validatie genoemd. Figuur 2 toont een vergelijking van vloeibaar waterpad (het vloeibare deel van het gecondenseerde waterpad dat genoemd is in tabel 1) metingen van SEVIRI met MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), een vergelijkbaar instrument, maar dan aan boord van twee satellieten in een polaire baan om de aarde. De ruimtelijke verdeling van vloeibaar waterpad afgeleid uit deze instrumenten lijkt sterk op elkaar, waarbij SEVIRI over het algemeen wat lagere waardes geeft. Onderzoek heeft aangetoond dat dit deels te maken heeft met de kalibratie (ijking) van de SEVIRI-stralingsmetingen, een probleem dat intussen is aangepakt.

Figuur 2: Vergelijking tussen vloeibaar waterpad in g/m2 afgeleid uit (links) SEVIRI-metingen met MSG-CPP en (rechts) MODIS-metingen met het officiële MODIS-algoritme. De plaatjes laten de gemiddelde waarden voor bewolkte situaties zien over de periode me
Figuur 2: Vergelijking tussen vloeibaar waterpad in g/m2 afgeleid uit (links) SEVIRI-metingen met MSG-CPP en (rechts) MODIS-metingen met het officiële MODIS-algoritme. De plaatjes laten de gemiddelde waarden voor bewolkte situaties zien over de periode me
Figuur 3: Vergelijking van gemiddelde neerslag in mm/dag over de periode mei t/m augustus 2006 zoals gemeten door (links) regenmeters, (midden) neerslagradars en (rechts) MSG-CPP.
Figuur 3: Vergelijking van gemiddelde neerslag in mm/dag over de periode mei t/m augustus 2006 zoals gemeten door (links) regenmeters, (midden) neerslagradars en (rechts) MSG-CPP.

Neerslag is een parameter die goed gevalideerd kan worden met metingen aan de grond. Figuur 3 toont het resultaat van een studie waarin de uit SEVIRI afgeleide neerslag wordt vergeleken met gegevens van regenmeters en neerslagradars. De ruimtelijke patronen gezien door de satelliet komen redelijk overeen met de regenmeters. De radars wijken nogal af, doordat er verschillende instrumenten worden gebruikt die bovendien niet allemaal consistent zijn afgeregeld. Voor wat betreft de verdeling in de tijd (voor een gegeven lokatie) is de radar overigens wel erg nauwkeurig. Een voordeel van de satellietmetingen t.o.v. de andere systemen is dat ze een uniforme bedekking zowel boven land als zee geven.

Toepassingen

De Meteosat-gegevens kunnen voor een groot aantal toepassingen gebruikt worden, zowel voor klimaatonderzoek als voor de weersverwachting. Een voorbeeld is het maken van klimaatkaarten. Figuur 4 toont een kaart van de gemiddelde jaarlijkse hoeveelheid inkomende zonnestraling uit de Bosatlas van het Klimaat vergeleken met een kaart berekend uit MSG-CPP gegevens. Beide kaarten laten zien dat de jaarlijkse hoeveelheid zonnestraling in Nederland sterk variëert. Aan de kust is het veel zonniger dan in het binnenland. Wat nieuw is in de satellietkaart is dat het heel zonnig is boven de Noordzee, met circa 10% meer zonnestraling dan boven land. Ook zijn de Veluwe, de Utrechtse Heuvelrug en Drenthe goed te zien in het plaatje. Dit zijn heuvelachtige gebieden waar meer bewolking ontstaat zodat het daar minder zonnig is. Uiteraard kunnen kaarten gebaseerd op ongeveer 25 grondstations deze kleinschaliger variaties niet goed oplossen.

Figuur 4: Gemiddelde jaarlijkse hoeveelheid inkomende zonnestraling in kJ/cm2 bepaald met (links) grondmetingen over de periode 1981-2010 en (rechts) MSG-CPP over de periode 2005-2009.
Figuur 4: Gemiddelde jaarlijkse hoeveelheid inkomende zonnestraling in kJ/cm2 bepaald met (links) grondmetingen over de periode 1981-2010 en (rechts) MSG-CPP over de periode 2005-2009.

MSG-CPP dataverwerking

EUMETSAT verstuurt de gekalibreerde SEVIRI-metingen via een telecommunicatiesatelliet naar afnemers, met name de nationale weerinstituten binnen Europa. KNMI heeft hiervoor twee ontvangstschotels ingeregeld die allerlei gegevens van EUMETSAT ontvangen, controleren en naar een aantal computersystemen doorsturen. Voor de verwerking van MSG-CPP is er een hoge-beschikbaarheidsomgeving gerealiseerd met zowel de capaciteit om de inkomende stroom te verwerken alsook regelmatig een herverwerking van de gehele meetreeks te kunnen uitvoeren. Een verbeterde kalibratie of nieuwe rekenmethodes kunnen bijvoorbeeld een aanleiding zijn voor een herverwerking. Om deze herverwerkingen te kunnen ondersteunen worden alle SEVIRI gegevens, met een omvang van 2 TeraByte per jaar, opgeslagen in het elektronische KNMI-archief.

Het resultaat van het MSG-CPP algoritme wordt in een speciaal bestandsformaat weggeschreven, namelijk NetCDF met de CF conventie. NetCDF wordt wereldwijd gebruikt om allerlei verschillende datasets met elkaar uit te wisselen. Het grote voordeel van NetCDF is dat het eenvoudig te gebruiken is vanuit operationele en wetenschappelijke software, snelle verwerking toestaat en platformonafhankelijk is. CF staat voor de “Climate and Forecast conventions” and is de de-facto standaard voor het gebruik van parameter namen, eenheden en beschrijving van de data structuur.

Internettoegang tot MSG-CPP

Naast het rechtstreeks aanbieden van deze bestanden via een FTP service worden ook nog alternatieve services geboden. Het doel deze alternatieven is om het voor de gebruikers zo eenvoudig mogelijk te maken om de juiste data te vinden, selecteren en te gebruiken. Het selecteren van gegevens komt vaak neer op het zoeken van interessante metingen op een bepaalde locatie en tijd. Via het dataportaal kan men eenvoudig afbeeldingen doorlopen afhankelijk van geselecteerde parameters, gebied en tijdscriteria

Figuur 5: De ADAGUC viewer met een gecombineerd beeld van wolken optische dikte met neerslag.
Figuur 5: De ADAGUC viewer met een gecombineerd beeld van wolken optische dikte met neerslag.
Figuur 6: De wetenschappelijke tool IDV waarin wolken optische dikte wordt getoond. De files worden rechtstreeks benaderd via het OPeNDAP protocol.
Figuur 6: De wetenschappelijke tool IDV waarin wolken optische dikte wordt getoond. De files worden rechtstreeks benaderd via het OPeNDAP protocol.
Figuur 7: Wolken optische dikte getoond in Google Earth. De data wordt opgehaald via het Web Map Service protocol. De data wordt automatisch getoond in Google Earth als de gebruiker op het Google Earth icoon klikt in de ADAGUC  viewer.
Figuur 7: Wolken optische dikte getoond in Google Earth. De data wordt opgehaald via het Web Map Service protocol. De data wordt automatisch getoond in Google Earth als de gebruiker op het Google Earth icoon klikt in de ADAGUC viewer.

De technieken voor het opbouwen van deze afbeeldingen zijn geïmplementeerd volgens de Open Geospatial Consortium, Web Map Service. Door het volgen van de WMS standaard kan men deze afbeeldingen, binnen allerlei web services en applicaties gebruiken. Dit geeft gebruikers de vrijheid om hun eigen tools te blijven gebruiken en eenvoudig gegevens uit verschillende bronnen te combineren. Op de MSG-CPP website kan men deze services eenvoudig aanroepen via de ADAGUC viewer, die gebruikt maakt van dezelfde web map services. In het portaal kan men data van verschillende bronnen als lagen over elkaar heen leggen; zo is het bijvoorbeeld mogelijk om verschillende neerslagproducten te vergelijken. Ook kunnen lagen transparant worden gemaakt zodat deze goed met elkaar te vergelijken zijn. Naast het leveren van afbeeldingen worden ook de waardes zelf via de OGC Web Coverage Service aangeboden.

Gebruikers van MSG-CPP gegevens kunnen tevens de NetCDF files direct benaderen via het internet door middel van het OPeNDAP protocol. Via OPeNDAP worden gegevens volledig transparant aan de gebruiker aangeboden alsof de gebruiker de gegevens al op zijn computer heeft staan; doordat OPeNDAP onderdeel is van de NetCDF bibliotheek kunnen programma’s hier direct gebruik van maken. Een voordeel is dat een selectie uit een file kan worden opgehaald zonder dat hiervoor de complete file opgehaald hoeft te worden. Daarnaast staan alle versies van de data centraal, en blijven er geen oudere versies op computers staan. Alle gebruikte technieken en toegangsmethoden zijn beschreven op de website van MSG Cloud Physical Properties (zie link).

Conclusie

Het KNMI heeft een live visualisatietool ontwikkeld voor Meteosat-satellietmetingen van bewolking, zonnestraling en neerslag. De tool is openbaar toegankelijk en de gegevens kunnen voor allerlei toepassingen gebruikt worden.

Referenties

De volgende artikelen geven uitgebreide informatie over en validatie van het CPP-algoritme:

  • Deneke, H.M., A. J. Feijt, and R. A. Roebeling, 2008: Estimating Global Irradiance from METEOSAT SEVIRI-derived Cloud Properties, Remote Sens. Environ., 112 (6), 3131-3141.
  • Meirink, J. F., R. Roebeling, E. Wolters and H. Deneke, 2010: Cloud Physical Products AVHRR / SEVIRI, Algorithm Theoretical Basis Document, EUMETSAT SAF/CM/KNMI/ATBD/CPP 1.0.
  • Roebeling, R. A., A. J. Feijt, and P. Stammes, 2006: Cloud property retrievals for climate monitoring: implications of differences between SEVIRI on METEOSAT-8 and AVHRR on NOAA-17, J. Geophys. Res., 111, D20210, doi:10.1029/2005JD006990.
  • Roebeling, R. A., H. M. Deneke, and A. J. Feijt, 2008: Validation of cloud liquid water path retrievals from SEVIRI using one year of CloudNET observations , J. Appl. Meteor. Climatol., 47,1, 206 – 222.
  • Roebeling, R. A., and I. Holleman, 2009: SEVIRI rainfall retrieval and validation using weather radar observations, J. Geophys. Res., 114, D21202, doi:10.1029/2009JD012102.
  • Wolters, E. L. A., B. J. J. M. van den Hurk, and R. A. Roebeling, 2011: Evaluation of rainfall retrievals from SEVIRI reflectances over West Africa using TRMM-PR and CMORPH, Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, 437-451, doi:10.5194/hess-15-437-2011
Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen