DOI: https://doi.org/10.5194/amt-17-839-2024
تاريخ النشر: 2024-01-31
المؤلف: Michael Eisinger وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأوزون الجوي والمناخ
نظرة عامة
مستكشف الغلاف الجوي للأرض والهباء الجوي والإشعاع (EarthCARE) هو مهمة فضائية تعاونية من وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA)، مصممة لقياس الملفات الرأسية للهباء الجوي، والسحب، وخصائص الهطول، والتدفقات الإشعاعية المرتبطة. تهدف المهمة إلى تعزيز دقة توقعات الطقس ونماذج المناخ من خلال توفير بيانات حيوية حول هذه المكونات الجوية. تم تجهيز EarthCARE بأربعة أجهزة: جهاز LIDar الجوي (ATLID)، رادار تحديد السحب (CPR)، جهاز التصوير متعدد الأطياف (MSI)، ومقياس الإشعاع العريض (BBR). يتم معالجة البيانات من هذه الأجهزة إلى منتجات مستوى 1 المعايرة ومستوى 2 الجيوفيزيائية في قطاعات الأرض التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية، مع تفصيل الورقة لسلاسل معالجة البيانات وخوارزميات المعايرة المعنية.
تختتم الورقة بتلخيص تطوير أنظمة معالجة بيانات EarthCARE، التي تشمل مساهمات من فرق عبر أوروبا واليابان وكندا. ستعمل الأقمار الصناعية في مدار منخفض متزامن مع الشمس، مما ينتج عنه منتجات بيانات مستوى 2 أحادية الجهاز وتآزرية تسترجع معلمات جوية متنوعة. ستسهل شبكة معيارية مشتركة تجميع البيانات من أجهزة مختلفة، بينما ستكمل الحقول الجوية المساعدة من نموذج ECMWF البيانات الأساسية. تم اختبار سلسلة المعالجة بدقة باستخدام المحاكي من النهاية إلى النهاية (E3SIM)، الذي يتضمن نماذج أمامية ومحاكيات للأجهزة. تناقش الورقة أيضًا عملية التطوير التعاوني، وصيغة منتج EarthCARE، وتوافر منتجات البيانات من خلال وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية، مع التأكيد على إمكانية المهمة في تحسين فهم عمليات السحب وتقليل عدم اليقين في نمذجة المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة البحثية الضوء على التقدم الكبير الذي تم إحرازه في فهم عمليات السحب، كما اعترف به الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ (IPCC، 2023). على الرغم من تقليص عدم اليقين بنسبة 50% بشأن ردود الفعل السحابية منذ التقرير التقييمي الخامس (AR5)، لا تزال السحب المصدر الرئيسي لعدم اليقين في ردود الفعل المناخية. تهدف مهمة مستكشف الغلاف الجوي للأرض والهباء الجوي والإشعاع (Earth-CARE) إلى معالجة هذا عدم اليقين من خلال توفير التحقق المباشر من آثار السحب والهباء الجوي على معدلات تسخين الغلاف الجوي والتدفقات الإشعاعية. هذه المهمة، وهي تعاون بين وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية (JAXA)، ستجمع بيانات شاملة عالمية عن السحب والهباء الجوي والهطول لتعزيز مخططات المعلمات في نماذج الطقس والمناخ.
سيعمل EarthCARE في مدار منخفض متزامن مع الشمس على ارتفاع حوالي 400 كم، مزودًا بأربعة أجهزة متقدمة: جهاز LIDar الجوي (ATLID)، رادار تحديد السحب (CPR)، جهاز التصوير متعدد الأطياف (MSI)، ومقياس الإشعاع العريض (BBR). ستقيس هذه الأجهزة خصائص جوية متنوعة، بما في ذلك الملفات الرأسية للهباء الجوي والسحب، وستسهل بناء مشاهد ثلاثية الأبعاد من السحب والهباء الجوي والهطول لحسابات النقل الإشعاعي. سيتم معالجة البيانات المجمعة من قبل قطاعات الأرض في أوروبا واليابان، مما ينتج عنه مستويات متعددة من منتجات البيانات الجيوفيزيائية التي سيتم توزيعها على المستخدمين. توضح الورقة تطوير سلاسل المعالجة، ومنتجات البيانات العلمية، وخوارزميات الاسترجاع، مما يمهد الطريق للأقسام اللاحقة التي تفصل منهجيات المعالجة وجهود دمج البيانات.
نقاش
في هذا القسم، تناقش الورقة البحثية الاتفاقيات والصيغ لمنتجات بيانات EarthCARE وسلاسل المعالجة المستخدمة من قبل وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية. تتبع أسماء منتجات وكالة الفضاء الأوروبية صيغة منظمة من XXXX-YYY، حيث تشير XXXX إلى الجهاز (على سبيل المثال، A لـ ATLID) وYYY تشير إلى محتوى المنتج (على سبيل المثال، FM لقناع الميزة). تستخدم منتجات وكالة استكشاف الفضاء اليابانية اتفاقية تسمية مختلفة، حيث تستخدم خطًا سفليًا لفصل معرفات الأجهزة عن المحتوى الجيوفيزيائي. تهدف كلا المنظمتين إلى توحيد تسمية المعلمات وصيغ البيانات، حيث اختارت وكالة الفضاء الأوروبية ملفات NetCDF-4/HDF5 لطبيعتها ذاتية الوصف وتوافقها مع أدوات البرمجيات الحالية.
تُفصّل سلاسل المعالجة لوكالة الفضاء الأوروبية ووكالة استكشاف الفضاء اليابانية، موضحةً توليد منتجات بيانات المستوى 0، المستوى 1، والمستوى 2. يتم إجراء معالجة وكالة الفضاء الأوروبية بشكل أساسي في PDGS، مع استثناءات محددة لمنتج CPR المستوى 1b من وكالة استكشاف الفضاء اليابانية ومنتج X-MET، الذي تتم معالجته في قطاعات الأرض الخاصة بهم. يتم إنتاج كل منتج بيانات بواسطة معالج ينفذ خوارزميات لتوليد البيانات، حيث تكون PDGS مسؤولة أيضًا عن معايرة الأجهزة ومراقبة جودة البيانات. تصنف وكالة استكشاف الفضاء اليابانية منتجاتها إلى منتجات معيارية وبحثية، حيث تكون الأولى أكثر نضجًا وتوزيعًا على نطاق واسع، بينما تمثل الأخيرة خوارزميات جديدة وتجريبية. تختتم القسم بوصف مفصل لخطوات المعالجة لأجهزة ATLID وCPR، مع التأكيد على أهمية المعايرة وجودة البيانات في إنتاج قياسات جوية موثوقة.
DOI: https://doi.org/10.5194/amt-17-839-2024
Publication Date: 2024-01-31
Author(s): Michael Eisinger et al.
Primary Topic: Atmospheric Ozone and Climate
Overview
The Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (EarthCARE) is a collaborative satellite mission by the European Space Agency (ESA) and the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), designed to measure vertical profiles of aerosols, clouds, precipitation properties, and associated radiative fluxes. The mission aims to enhance the accuracy of weather forecasting and climate models by providing critical data on these atmospheric components. EarthCARE is equipped with four instruments: the ATmospheric LIDar (ATLID), Cloud Profiling Radar (CPR), Multi-Spectral Imager (MSI), and Broadband Radiometer (BBR). Data from these instruments are processed into calibrated level 1 and geophysical level 2 products at ESA and JAXA ground segments, with the paper detailing the data processing chains and calibration algorithms involved.
The paper concludes by summarizing the development of EarthCARE’s data processing systems, which involve contributions from teams across Europe, Japan, and Canada. The satellite will operate in a sun-synchronous, low-Earth orbit, generating both single-instrument and synergistic level 2 data products that retrieve various atmospheric parameters. A Joint Standard Grid will facilitate the collocation of data from different instruments, while auxiliary meteorological fields from an ECMWF model will complement the primary data. The processing chain has been rigorously tested using the End-to-End Simulator (E3SIM), which incorporates forward models and instrument simulators. The paper also discusses the collaborative development process, the EarthCARE product format, and the availability of data products through ESA and JAXA, emphasizing the mission’s potential to improve understanding of cloud processes and reduce uncertainties in climate modeling.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant advancements made in understanding cloud processes, as recognized by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2023). Despite a 50% reduction in uncertainty regarding cloud feedback since the Fifth Assessment Report (AR5), clouds continue to be the primary source of uncertainty in climate feedbacks. The Earth Cloud Aerosol and Radiation Explorer (Earth-CARE) mission aims to address this uncertainty by providing direct verification of the effects of clouds and aerosols on atmospheric heating rates and radiative fluxes. This mission, a collaboration between the European Space Agency (ESA) and the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), will collect comprehensive global data on clouds, aerosols, and precipitation to enhance the parameterization schemes in weather and climate models.
EarthCARE will operate in a sun-synchronous, low-Earth orbit at approximately 400 km altitude, equipped with four advanced instruments: the ATmospheric LIDar (ATLID), Cloud Profiling Radar (CPR), Multi-Spectral Imager (MSI), and Broadband Radiometer (BBR). These instruments will measure various atmospheric properties, including vertical profiles of aerosols and clouds, and will facilitate the construction of three-dimensional cloud-aerosol-precipitation scenes for radiative transfer calculations. The data collected will be processed by ground segments in Europe and Japan, producing multiple levels of geophysical data products that will be disseminated to users. The paper outlines the development of processing chains, scientific data products, and retrieval algorithms, setting the stage for subsequent sections that detail the processing methodologies and data integration efforts.
Discussion
In this section, the research paper discusses the conventions and formats for EarthCARE data products and the processing chains utilized by ESA and JAXA. ESA product names follow a structured format of XXXX-YYY, where XXXX denotes the instrument (e.g., A for ATLID) and YYY indicates the product content (e.g., FM for feature mask). JAXA products use a different naming convention, employing an underscore to separate instrument identifiers from geophysical content. Both organizations aim to standardize parameter naming and data formats, with ESA opting for NetCDF-4/HDF5 files for their self-describing nature and compatibility with existing software tools.
The processing chains for ESA and JAXA are outlined, detailing the generation of level 0, level 1, and level 2 data products. ESA’s processing is primarily conducted at the PDGS, with specific exceptions for JAXA’s CPR level 1b product and the X-MET product, which are processed in their respective ground segments. Each data product is produced by a processor that implements algorithms to generate the data, with the PDGS also responsible for instrument calibration and data quality monitoring. JAXA categorizes its products into Standard and Research Products, with the former being more mature and widely disseminated, while the latter represents newer, experimental algorithms. The section concludes with a detailed description of the processing steps for the ATLID and CPR instruments, emphasizing the importance of calibration and data quality in producing reliable atmospheric measurements.