DOI: https://doi.org/10.5194/amt-17-2235-2024
تاريخ النشر: 2024-04-17
المؤلف: L. G. Tilstra وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة علم المناخ الجديد للانعكاسية المعتمدة على الاتجاه (DLER) المستمدة من ملاحظات TROPOMI على قمر صناعي Sentinel-5P. تشمل قاعدة البيانات بيانات DLER الشهرية عبر 21 نطاق طول موجي (328 إلى 2314 نانومتر) بدقة مكانية تبلغ 0.125° × 0.125°. يتم استخدام تقنية جديدة لاكتشاف ظلال السحب لتعزيز جودة البيانات، وتتميز الطبيعة غير المتجانسة لانعكاس السطح باستخدام معلمة من الدرجة الثالثة تعتمد على زاوية الرؤية. تشير النتائج إلى أن اعتماد DLER على زاوية الرؤية يتماشى مع ما لوحظ في قاعدة بيانات GOME-2، على الرغم من استجابة أضعف بشكل عام تُعزى إلى التغيرات في موقع الشمس.
تمت المصادقة على قاعدة بيانات DLER الخاصة بـ TROPOMI من خلال مقارنات مع قواعد بيانات الألبيدو السطحية المعروفة، بما في ذلك GOME-1 وOMI وSCIAMACHY وGOME-2، مما يكشف عن مستويات دقة عالية (انحرافات أقل من 0.01-0.02 للأطوال الموجية الأقصر وأقل من 0.003 للأطوال الموجية الأطول). بالإضافة إلى ذلك، أظهرت المقارنات مع وظيفة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه (BRDF) للسطح MODIS أن DLER يتفوق بشكل كبير على الألبيدو السطحي غير الاتجاهي التقليدي (LER)، مما يشير إلى وجود ارتباط قوي. تُعتبر قاعدة بيانات DLER الخاصة بـ TROPOMI تقدمًا كبيرًا لاسترجاعات الأقمار الصناعية، قابلة للتطبيق ليس فقط على TROPOMI ولكن أيضًا على مهام الأقمار الصناعية المستقبلية التي تدور في مدارات قطبية، مما يعزز دقة مجموعة متنوعة من منتجات الاسترجاع الجوي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية انعكاسية سطح الأرض في استرجاعات الأقمار الصناعية لتكوين الغلاف الجوي، بما في ذلك الغازات مثل الأوزون (O₃) وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) والميثان (CH₄). غالبًا ما تفترض الطرق التقليدية نموذج انعكاس لامبرتي، مما يمكن أن يؤدي إلى أخطاء كبيرة، خاصةً للأسطح المزروعة، كما أظهر Lorente et al. (2018). لمعالجة هذه الأخطاء، تناقش الورقة تطوير قواعد بيانات جديدة تأخذ في الاعتبار الاعتماد الاتجاهي في الألبيدو السطحي، مثل الانعكاسية المعادلة لامبرتي المعتمدة على الهندسة (GLER) والانعاكاسية الفعالة المعادلة لامبرتي المعتمدة على الهندسة (GE_LER). تحسن هذه القواعد البيانات القديمة من خلال توفير بيانات انعكاسية أكثر دقة تعتمد على الاتجاه مناسبة لرموز النقل الإشعاعي.
تقدم الورقة قاعدة بيانات جديدة للألبيدو السطحي مستمدة من أداة مراقبة التروبوسفير (TROPOMI)، والتي تقدم دقة مكانية محسنة ومعلمة أكثر تطورًا للاعتماد الزاوي مقارنة بالقواعد البيانات الموجودة. تشمل هذه القاعدة الجديدة الانعكاسية المعادلة لامبرتي المعتمدة على الاتجاه (DLER) لـ 21 نطاق طول موجي، مما يحسن دقة الاسترجاعات الجوية. تتضمن خوارزمية الاسترجاع تقنيات متقدمة لتصفية السحب لتقليل التلوث، وتلتزم المصادقة على قاعدة بيانات DLER بمتطلبات دقة صارمة. يتم توضيح هيكل الورقة، مع تفاصيل الأقسام اللاحقة التي تغطي وصف TROPOMI، والإطار النظري لانعكاس لامبرتي، وإعداد الخوارزمية، ونتائج المصادقة.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تحليلًا شاملاً لقاعدة بيانات انعكاسية الأرض واليابسة (LER) ونعكاسية الأرض واليابسة المعتمدة على الاتجاه (DLER)، مع التركيز على خصائصها غير المتجانسة، والتغيرات الموسمية، والتلوث الناتج عن السحب والهباء الجوي. تشير النتائج إلى أن LER السطحي لـ TROPOMI (v2.1) يظهر توافقًا جيدًا مع LER السطحي لـ OMI (v3)، خاصةً بسبب الخصائص المدارية المتشابهة وأوقات العبور، مما يقلل من التباينات المتعلقة بهندسة الشمس. ومع ذلك، لوحظت اختلافات ملحوظة عند مقارنة TROPOMI مع قواعد بيانات SCIAMACHY وGOME-2، خاصةً عند الأطوال الموجية الأقصر، حيث تم تحديد أخطاء المعايرة في GOME-2 كعامل مساهم.
يكشف تحليل DLER مقابل وظيفة توزيع الانعكاس ثنائي الاتجاه (BRDF) للسطح MODIS عن تحسينات كبيرة مقارنة بـ LER، مع معاملات ارتباط عالية (معامل بيرسون r) وانحرافات معيارية منخفضة تشير إلى توافق أفضل. تسلط الدراسة الضوء على أن DLER يوفر تمثيلًا أكثر دقة لانعكاسية السطح، خاصةً في المناطق المزروعة وأثناء فترات ذوبان الثلوج/الجليد. تؤكد الرسوم البيانية والنماذج التشتتية على قوة DLER، مما يظهر تفوقه على LER ويشير إلى أن DLER يتماشى بشكل أقرب مع قاعدة بيانات GLER الخاصة بـ OMI. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية DLER في التقاط خصائص الانعكاس الاتجاهي، مما يعزز فهم ديناميات الألبيدو السطحي عبر أنواع الأراضي المختلفة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الإطار النظري والأساليب لحساب الانعكاسية عند قمة الغلاف الجوي (TOA) والانعاكاسية المعادلة لامبرتي (LER) لسطح الأرض، مع التأكيد على أهمية الاعتماد الاتجاهي في انعكاس السطح. يتم تعريف الانعكاسية عند قمة الغلاف الجوي \( R \) باستخدام إشعاع الأرض \( I \) وإشعاع الشمس الخارجي \( E_0 \)، مع توفير معادلات لحساب كل من الانعكاسية المسار \( R_0 \) والألبيدو السطحي \( A_s \). يتم تقديم مفهوم الانعكاسية المعادلة لامبرتي المعتمدة على الاتجاه (DLER)، الذي يأخذ في الاعتبار الطبيعة غير المتجانسة لانعكاس السطح من خلال استرجاع LER كدالة لزاوية الرؤية \( \theta_v \). يسمح هذا النهج بدقة محسنة في حسابات النقل الإشعاعي، خاصةً في السيناريوهات التي ينحرف فيها انعكاس السطح عن التماثل.
يصف المؤلفون إعداد الخوارزمية لاشتقاق DLER من ملاحظات الأقمار الصناعية، بما في ذلك تطبيق تصفية السحب النشطة والإحصائية، بالإضافة إلى اكتشاف ظلال السحب لتعزيز جودة البيانات. يصفون عملية حساب قيم LER للمشهد من الانعكاسات عند قمة الغلاف الجوي والاسترجاع اللاحق لـ LER السطحي لأنواع الأراضي المختلفة، مع تسليط الضوء على الاختلافات في عدم التجانس الملحوظة عبر الأسطح المختلفة. تشير النتائج إلى أن عدم التجانس السطحي مهم، خاصةً للمناطق المزروعة، مع قيم تصل إلى 0.16 لبعض الأطوال الموجية. تقترح النتائج أنه بينما توفر ملاحظات TROPOMI قيم عدم تجانس أصغر مقارنة بالأدوات السابقة مثل GOME-2، إلا أنها لا تزال تقدم رؤى قيمة حول الاعتماد الاتجاهي لانعكاسية السطح، وهو أمر حاسم لفهم عمليات سطح الأرض وتحسين نماذج المناخ.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-17-2235-2024
Publication Date: 2024-04-17
Author(s): L. G. Tilstra et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
This paper presents a new climatology of directionally dependent Lambertian-equivalent reflectivity (DLER) derived from TROPOMI observations on the Sentinel-5P satellite. The database encompasses monthly DLER data across 21 wavelength bands (328 to 2314 nm) with a spatial resolution of 0.125° × 0.125°. A novel cloud shadow detection technique is employed to enhance data quality, and the anisotropic nature of surface reflection is characterized using a third-order parameterization of viewing angle dependence. The findings indicate that the DLER’s viewing angle dependence aligns with that observed in the GOME-2 database, albeit with a generally weaker response attributed to variations in solar position.
Validation of the TROPOMI DLER database was conducted through comparisons with established surface albedo databases, including GOME-1, OMI, SCIAMACHY, and GOME-2, revealing high accuracy levels (biases below 0.01-0.02 for shorter wavelengths and below 0.003 for longer wavelengths). Additionally, comparisons with the MODIS surface bidirectional reflectance distribution function (BRDF) demonstrated that the DLER significantly outperforms traditional non-directional surface albedo (LER), indicating a strong correlation. The TROPOMI DLER database is positioned as a substantial advancement for satellite retrievals, applicable not only to TROPOMI but also to future polar-orbiting satellite missions, enhancing the accuracy of various atmospheric retrieval products.
Introduction
The introduction highlights the significance of Earth’s surface reflectivity in satellite retrievals of atmospheric composition, including gases such as ozone (O₃), nitrogen dioxide (NO₂), and methane (CH₄). Traditional methods often assume a Lambertian reflection model, which can lead to substantial errors, particularly for vegetated surfaces, as demonstrated by Lorente et al. (2018). To address these inaccuracies, the paper discusses the development of new databases that incorporate directional dependence in surface albedo, such as the geometry-dependent surface Lambertian-equivalent reflectivity (GLER) and the geometry-dependent effective Lambertian-equivalent reflectivity (GE_LER). These databases improve upon older models by providing more accurate, directionally dependent reflectivity data suitable for radiative transfer codes.
The paper introduces a novel surface albedo database derived from the Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI), which offers enhanced spatial resolution and a more sophisticated parameterization of angular dependence compared to existing databases. This new database includes directional Lambertian-equivalent reflectivity (DLER) for 21 wavelength bands, improving the accuracy of atmospheric retrievals. The retrieval algorithm incorporates advanced cloud filtering techniques to minimize contamination, and validation of the DLER database adheres to stringent accuracy requirements. The structure of the paper is outlined, detailing subsequent sections that cover TROPOMI’s description, the theoretical framework of Lambertian reflection, algorithm setup, and validation results.
Results
In this section, the authors present a comprehensive analysis of the surface Land and Earth Reflectance (LER) and Directional Land and Earth Reflectance (DLER) databases, focusing on their anisotropic properties, seasonal variations, and contamination from clouds and aerosols. The results indicate that the TROPOMI surface LER (v2.1) shows good agreement with the OMI surface LER (v3), particularly due to similar orbital characteristics and overpass times, which minimize discrepancies related to solar geometry. However, notable differences were observed when comparing TROPOMI with SCIAMACHY and GOME-2 databases, particularly at shorter wavelengths, where calibration errors in GOME-2 were identified as a contributing factor.
The analysis of DLER against MODIS surface Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) reveals significant improvements over LER, with high correlation coefficients (Pearson’s r) and reduced standard deviations indicating better agreement. The study highlights that the DLER provides a more accurate representation of surface reflectance, especially in vegetated regions and during periods of snow/ice melt. Scatter plots and histograms further confirm the robustness of the DLER, demonstrating its superiority over LER and indicating that the DLER aligns more closely with the OMI GLER database. Overall, the findings underscore the effectiveness of the DLER in capturing directional reflectance properties, thereby enhancing the understanding of surface albedo dynamics across various land types.
Discussion
In this section, the authors discuss the theoretical framework and methodologies for calculating the top-of-atmosphere (TOA) reflectance and the Lambertian-equivalent reflectivity (LER) of Earth’s surface, emphasizing the importance of directional dependence in surface reflection. The TOA reflectance \( R \) is defined using the Earth radiance \( I \) and extraterrestrial solar irradiance \( E_0 \), with equations provided to calculate both the path reflectance \( R_0 \) and the surface albedo \( A_s \). The concept of directional Lambertian-equivalent reflectivity (DLER) is introduced, which accounts for the anisotropic nature of surface reflection by retrieving LER as a function of the viewing angle \( \theta_v \). This approach allows for improved accuracy in radiative transfer calculations, particularly in scenarios where surface reflection deviates from isotropy.
The authors detail the algorithmic setup for deriving DLER from satellite observations, including the application of active and statistical cloud filtering, as well as cloud shadow detection to enhance data quality. They describe the process of calculating scene LER values from TOA reflectances and the subsequent retrieval of surface LER for different land types, highlighting the differences in anisotropy observed across various surfaces. The findings indicate that surface anisotropy is significant, particularly for vegetated areas, with values reaching up to 0.16 for certain wavelengths. The results suggest that while TROPOMI observations yield smaller anisotropy values compared to previous instruments like GOME-2, they still provide valuable insights into the directional dependence of surface reflectivity, which is crucial for understanding land surface processes and improving climate models.