The effect of Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) observations on the short-range forecast in East Asia (EA) was investigated for the Northern Hemispheric (NH) summer and winter months, using the Forecast Sensitivity to Observations (FSO) method. For both periods, the contribution of radiosonde (TEMP) to the EA forecast was largest, followed by AIRCRAFT, AMSU-A, Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), and the atmospheric motion vector of Communication, Ocean and Meteorological Satellite (COMS) or Multi-functional Transport Satellite (MTSAT). The contribution of AMSU-A sensor was largely originated from the NOAA 19, NOAA 18, and MetOp-A (NOAA 19 and 18) satellites in the NH summer (winter). The contribution of AMSU-A sensor on the MetOp-A (NOAA 18 and 19) satellites was large at 00 and 12 UTC (06 and 18 UTC) analysis times, which was associated with the scanning track of four satellites. The MetOp-A provided the radiance data over the Korea Peninsula in the morning (08:00~11:30 LST), which was important to the morning forecast. In the NH summer, the channel 5 observations on MetOp-A, NOAA 18, 19 along the seaside (along the ridge of the subtropical high) increased (decreased) the forecast error slightly (largely). In the NH winter, the channel 8 observations on NOAA 18 (NOAA 15 and MetOp-A) over the Eastern China (Tibetan Plateau) decreased (increased) the forecast error. The FSO provides useful information on the effect of each AMSU-A sensor on the EA forecasts, which leads guidance to better use of AMSU-A observations for EA regional numerical weather prediction.
We investigated the relative errors of satellite-observed Surface Skin Temperature (SST) data caused by sea ice in the northern hemispheric ocean ($30-90^{\circ}N$) during April 16-24, 2003-2014 by intercomparing MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Ice Surface Temperature (IST) data with two types of Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) SST data including one with the AIRS/Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU) and the other with 'AIRS only'. The MODIS temperatures, compared to the AIRS/AMSU, were systematically up to ~1.6 K high near the sea ice boundaries but up to ~2 K low in the sea ice regions. The main reason of the difference of skin temperatures is that the MODIS algorithm used infrared channels for the sea ice detection (i.e., surface classification), while microwave channels were additionally utilized in the AIRS/AMSU. The 'AIRS only' algorithm has been developed from NASA's Goddard Space Flight Center (NASA/GSFC) to prepare for the degradation of AMSU-A by revising part of the AIRS/AMSU algorithm. The SST of 'AIRS only' compared to AIRS/AMSU showed a bias of 0.13 K with RMSE of 0.55 K over the $30-90^{\circ}N$ region. The difference between AIRS/AMSU and 'AIRS only' was larger over the sea ice boundary than in other regions because the 'AIRS only' algorithm utilized the GCM temperature product (NOAA Global Forecast System) over seasonally-varying frozen oceans instead of the AMSU microwave data. Three kinds of the skin temperatures consistently showed significant warming trends ($0.23-0.28Kyr^{-1}$) in the latitude band of $70-80^{\circ}N$. The systematic disagreement among the skin temperatures could affect the discrepancies of their trends in the same direction of either warming or cooling.
Bias correction (BC) and quality control (QC) are essential steps for the proper use of satellite observations in data assimilation (DA) system. BC should be calculated over quality controlled observation. And also QC should be performed for bias corrected observation. In the Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems (KIAPS) Package for Observation Processing (KPOP), we adopted an adaptive BC method that calculates the BC coefficients with background at the analysis time rather than using static BC coefficients. In this study, we have developed an iterative QC-BC method for Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) to reduce the negative feedback from the interaction between BC and QC. The new iterative QC-BC is evaluated in the KIAPS 3-dimensional variational (3DVAR) DA cycle for January 2016. The iterative QC-BC method for AMSU-A shows globally significant benefits for error reduction of the temperature. The positive impacts for the temperature were predominant at latitudes of $30^{\circ}{\sim}90^{\circ}$ of both hemispheres. Moreover, the background warm bias across the troposphere is decreased. Even though AMSU-A is mainly designed for atmospheric temperature sounding, the improvement of AMSU-A pre-processing module has a positive impact on the wind component over latitudes of $30^{\circ}S$ near upper-troposphere, respectively. Consequently, the 3-day-forecast-accuracy is improved about 1% for temperature and zonal wind in the troposphere.
In this study, thermal tropopause height defined from WMO (World Meteorological Organization) using temperature profile derived from Advance Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A; hereafter named AMSU) onboard EOS (Earth Observing System) Aqua satellite is retrieved. The temperature profile of AMSU was validated by comparison with the radiosonde data observed at Osan weather station. The validation in the upper atmosphere from 500 to 100 hPa pressure level showed that correlation coefficients were in the range of 0.85~0.97 and the bias was less than 1 K with Root Mean Square Error (RMSE) of ~3 K. Thermal tropopause height was retrieved by using AMSU temperature profile. The bias and RMSE were found to be -5~ -37 hPa and 45~67 hPa, respectively. Correlation coefficients were in the range of 0.5 to 0.7. We also analyzed the change of tropopause height and temperature in middle troposphere in the extreme heavy rain event (23 October, 2003) associated with tropopause folding. As a result, the distinct descent of tropopause height and temperature decrease of ~8 K at 500 hPa altitude were observed at the hour that maximum precipitation and maximum wind speed occurred. These results were consistent with ERA (ECMWF Reanalysis)-Interim data (potential vorticity, temperature) in time and space.
As a part of the KIAPS (Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems) Package for Observation Processing (KPOP), we have developed the modules for Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A) pre-processing and its bias correction. The KPOP system calculates the airmass bias correction coefficients via the method of multiple linear regression in which the scan-corrected innovation and the thicknesses of 850~300, 200~50, 50~5, and 10~1 hPa are respectively used for dependent and independent variables. Among the four airmass predictors, the multicollinearity has been shown by the Variance Inflation Factor (VIF) that quantifies the severity of multicollinearity in a least square regression. To resolve the multicollinearity, we adopted simple linear regression and Principal Component Regression (PCR) to calculate the airmass bias correction coefficients and compared the results with those from the multiple linear regression. The analysis shows that the order of performances is multiple linear, principal component, and simple linear regressions. For bias correction for the AMSU-A channel 4 which is the most sensitive to the lower troposphere, the multiple linear regression with all four airmass predictors is superior to the simple linear regression with one airmass predictor of 850~300 hPa. The results of PCR with 95% accumulated variances accounted for eigenvalues showed the similar results of the multiple linear regression.
Rain-rate retrieval using the NOAA/AMSU (Advanced Microwave Sounding Unit) (Zaho et al., 2001) has been implemented at METRI/KMA since 2001. Here, we present the results of the AMSU derived rain-rate and validation result, especially for the rainfall associated with the tropical cyclone for 2001. For the validation, we use rain-rate derived from the ground based radar and/or rainfall observation from the rain gauge in Korea. We estimate the bias score, threat score, bias, RMSE and correlation coefficient for total of 16 tropical cyclone cases. Bias score shows around 1.3 and it increases with the increasing threshold value of rain-rate, while the threat score extends from 0.4 to 0.6 with the increasing threshold value of precipitation. The averaged rain-rate for at all 16 cases is 3.96mm/hr and 1.41mm/hr for the retrieved from AMSU and the ground observation, respectively. On the other hand, AMSU rain-rate shows a much better agreement with the ground based observation over inner part of tropical cyclone than over the outer part (Correlation coefficient for convective region is about 0.7, while it is only about 0.3 over the stratiform region). The larger discrepancy of tile correlation coefficient with the different part of the tropical cyclone is partly due to the time difference in between ice water path and surface rainfall. This results indicates that it might be better to develop the algorithm for different rain classes such as convective and stratiform.
As a part of the KIAPS Observation Processing System (KOPS), we have developed the modules of satellite radiance data pre-processing and quality control, which include observation operators to interpolate model state variables into radiances in observation space. AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) level-1d radiance data have been extracted using the BUFR (Binary Universal Form for the Representation of meteorological data) decoder and a first guess has been calculated with RTTOV (Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder) version 10.2. For initial quality checks, the pixels contaminated by large amounts of cloud liquid water, heavy precipitation, and sea ice have been removed. Channels for assimilation, rejection, or monitoring have been respectively selected for different surface types since the errors from the skin temperature are caused by inaccurate surface emissivity. Correcting the bias caused by errors in the instruments and radiative transfer model is crucial in radiance data pre-processing. We have developed bias correction modules in two steps based on 30-day innovation statistics (observed radiance minus background; O-B). The scan bias correction has been calculated individually for each channel, satellite, and scan position. Then a multiple linear regression of the scan-bias-corrected innovations with several predictors has been employed to correct the airmass bias.
The radiative transfer for TIROS operational vertical sounder (RTTOV) and the community radiative transfer model (CRTM) are two fast radiative transfer models (RTM) that are used as observation operators in numerical weather prediction (NWP) systems. This study compares the basic structure and input data of the two models. With data from Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A), which has channels of various frequencies, observed brightness temperature ($T_B$) and simulated $T_B$s from the two models are compared over the ocean surface in two cases-one where cloud information is included and the other without it. Regarding AMSU-A sounding channels (5-14), the two models produce no large significant differences in their calculated $T_B$, but RTTOV produces smaller first guess (FG) departures (i.e., better results) in window and near-surface sounding channels than does CRTM. When adding cloud water and ice particles from Unified Model (UM), the $T_B$ bias between observations and simulations are reduced in both models and the bias at 31.4 and 89 GHz is substantially decreased in CRTM compared to those of RTTOV.
Rainfall intensity was estimated using the MTSAT-1R infrared channels and the microwave satellite precipitation data. Brightness temperature of geostationary satellite is matched temporal and spatial to a variety of microwave satellite(SSM/I, SSMIS, AMSU-B, AMSRE, TRMM) precipitation data. Rainfall intensity was calculated by the look -up table using relationships of MTSAT-1R brightness temperature and microwave precipitation. Estimated rainfall is verified using by precipitation of TRMM satellite(TRMM3B42) and ground rainfall as AWS from Jul. 21 2008 to Jul. 25 2008. The results of rainfall estimated TRMM 2A12(TMI) that validated by AWS and TRMM3B42 precipitation are represented highly 0.38 and 0.61 by correlation coefficient, 5.81 mm/hr and 2.44 mm/hr by RMSE, 0.79 and 0.84 by POD and 0.65 and 0.87 by PC, respectively. Overall, estimated rainfall using by microwave satellite calculated 5 mm/hr or more comparing by AWS and 5 mm/hr or more comparing by TRMM3B42 precipitation, respectively. Validation results of correlation coefficient are shown series of TRMM 2A12, AMSRE, SSM/I, AMSU-B and SSMIS.
Cloudsat satellite data is sensitive to snowfall and collected during each month beginning with Dec 2007 and ending Feb 2008. In this study, we attempt to develop a snowfall retrieval algorithm using a combination of radiometer and cloud radar data. We trained data from the relation between brightness temperature measurements from NOAA's Advanced Microwave Sounder Unit-B(AMSU-B) and the radar reflectivity of the 2B-GEOPROF product from W-band(94 GHz) cloud radar onboard Cloudsat and applied it to the Korea peninsula. We use a principal components analysis to quantify the variations that are the result of the radiometric signatures of snowfall from those of the surface. Finally, we quantify the correlation between the higher principal component (orthogonal to surface variability) of the microwave radiances and the precipitation-sensitive CloudSat radar reflectivities. This work summarizes the results of applying this approach to observations over the East Sea during Feb. 2008. The retrieved data show reasonable estimation for snowfall rate compared with Cloudsat vertical image.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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