Validation of GOME-2/MetOp-A total water vapour column using reference radiosonde data from the GRUAN network

Abstract

El objetivo principal de este trabajo es validar la columna de vapor de agua total (TWVC) medida por el sensor de satélite de Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) y generada utilizando el algoritmo de recuperación GOME Data Processor (GDP) desarrollado por el German Aerospace Centre (DLR). Para ello, se utilizan los datos del TWVC colocados espacial y temporalmente a partir de mediciones de sondeo de alta precisión para el período de enero de 2009 a mayo de 2014 en seis sitios. Estos datos transmitidos por el globo son proporcionados por la Red Superior de Aire de Referencia del GCOS (GRUAN). La correlación entre GOME-2 y datos sonora de TWVC es razonablemente buena (coeficiente de determinación, R2, de 0,89) cuando todas las radiosondas disponibles (1400) se emplean en la comparación intermedia. Cuando se seleccionan casos libres de nubes (544) mediante la fracción de nubes satelitales (CF <5%), la correlación muestra una mejora notable (R2 _0.95). Sin embargo, el análisis de las diferencias relativas entre los datos de GOME-2 y GRUAN muestra un error de sesgo absoluto medio (ponderado con la incertidumbre combinada derivada de los errores estimados de ambos conjuntos de datos) del 15% para condiciones de todo el cielo (9% Sin casos). Estos resultados evidencian un sesgo notable en los datos TWVC satelitales frente a las mediciones de referencia en globo, parcialmente relacionadas con las condiciones nubladas durante el paso superior del satélite. El análisis detallado de la influencia de las propiedades de la nube - CF, albedo de nube superior (CTA) y presión de nubes (CTP) - en las diferencias de sondeo de satélite revela, como se esperaba, un gran efecto de nubes en los datos de TWVC de GOME-2. Por ejemplo, las diferencias relativas muestran una gran dependencia negativa de CTA, variando de -6 a -23% cuando el CTA aumenta de 0.3 a 0.8. Además, las diferencias en el TWVC de la sonda de satélite muestran una fuerte dependencia del ángulo del cenit solar (SZA) para valores superiores a 50º. Por lo tanto, las diferencias relativas más pequeñas encontradas en esta comparación de sondeo por satélite son alcanzadas para aquellos casos libres de nubes con satélite SZA por debajo de 50º. Finalmente, las diferencias relativas que muestran una dependencia negativa de los valores TWVC de referencia, p. Cambiando de -10% (TWVC por debajo de 10 mm) a +10% (TWVC por encima de 40 mm) cuando se seleccionan condiciones sin nubes con SZA por debajo de 50º. En general, las diferencias relativas dentro del ± 10% con respecto a los datos de sondeo de referencia para un amplio rango de valores de TWVC pueden considerarse como un buen resultado para las recuperaciones de satélites.

The main goal of this paper is to validate the total water vapour column (TWVC) measured by the Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) satellite sensor and generated using the GOME Data Processor (GDP) retrieval algorithm developed by the German Aerospace Centre (DLR). For this purpose, spatially and temporally collocated TWVC data from highly accurate sounding measurements for the period January 2009–May 2014 at six sites are used. These balloon-borne data are provided by the GCOS Reference Upper-Air Network (GRUAN). The correlation between GOME-2 and sounding TWVC data is reasonably good (determination coefficient, R2, of 0.89) when all available radiosondes (1400) are employed in the inter-comparison. When cloud-free cases (544) are selected by means of the satellite cloud fraction (CF<5 %), the correlation exhibits a remarkable improvement (R2 _0.95). Nevertheless, the analysis of the relative differences between GOME-2 and GRUAN data shows a mean absolute bias error (weighted with the combined uncertainty derived from the estimated errors of both data sets) of 15% for all-sky conditions (9% for cloud-free cases). These results evidence a notable bias in the satellite TWVC data against the reference balloon-borne measurements, partially related to the cloudy conditions during the satellite overpass. The detailed analysis of the influence of cloud properties – CF, cloud top albedo (CTA) and cloud top pressure (CTP) – on the satellite sounding differences reveals, as expected, a large effect of clouds in the GOME-2 TWVC data. For instance, the relative differences exhibit a large negative dependence on CTA, varying from -6 to -23% when CTA rises from 0.3 to 0.8. Furthermore, the satellite-sounding TWVC differences show a strong dependence on the satellite solar zenith angle (SZA) for values above 50º. Hence the smallest relative differences found in this satellite-sounding comparison are achieved for those cloud-free cases with satellite SZA below 50º. Finally, the relative differences al o show a negative dependence on the reference TWVC values, e.g. changing from -10% (TWVC below 10 mm) to +10% (TWVC above 40 mm) when cloud-free conditions with SZA below 50º are selected. Overall, relative differences within ± 10% with respect to reference sounding data for a large range of TWVC values can be considered as a good result for satellite retrievals.