Calibration-related artefacts in the initial ASCAT soil moisture product

Abstract

Seit Dezember 2008 läuft der operationelle Vertrieb eines globalem 25 km Bodenfeuchte Produkts durch die Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT), abgeleitet aus Advanced Scatterometer (ASCAT) Messungen an Bord des meteorological operational satellite METOP-A. Bodenfeuchte wird mit Hilfe eines von der Technischen Universität Wien (TU-Wien) entwickelten change detection Algorithmus gewonnen, welcher ursprünglich für das Active Microwave Instrument (AMI), an Board der beiden Europäischen Satelliten ERS-1 und ERS-2, entwickelt wurde. Mit dem Start der ersten von drei METeorological Operational Platforms (METOP-A) im Oktober 2006, übernimmt und verbessert ASCAT an Bord von METOP-A die Rolle seines Vorgängers AMI. Es war zu erwarten, dass der soil moisture retrieval Algorithmus nahezu unverändert auf ASCAT anwendbar sein würde, da die Konfiguration und das technische Design sehr ähnlich zu den ERS Scatterometernist. Ein wichtiger Aspekt für das TU-Wien Modell ist jedoch ein robuster langzeit Referenzdatensatz von scattering parameters. In anbetracht dessen, musste sich das anfängliche ASCAT Bodenfeuchte Produkt auf Modellparameter, abgeleitet aus über 15 Jahren ERS-1/2 Datensätzen, beziehen. Allerdings aufgrund unterschiedlicher Kalibrierung und Auflösung verursacht diese Kombination aus ASCAT Messungen und der historischen Langzeitreferenz Probleme im anfänglichen ASCAT Bodenfeuchte Produkt.<br />Die Zielsetzung der Diplomarbeit ist daher die Analyse des anfänglichen ASCAT Bodenfeuchte Produkts, wobei der Schwerpunkt auf der Quantifizierung des Einflusses des ERS-1/2 historischen langzeit Referenzdatensatzes auf das Bodenfeuchteprodukt liegt. Demzufolge wurde ein Modell entwickelt, welches die beiden zu erwartenden Hauptursachen untersuchen soll: Unterschiede in räumlicher Auflösung und Kalibrierung.<br />Es zeigte sich, dass ein simples Modell in der Lage ist die verbleibenden Artefakte aufgrund unterschiedlicher räumlicher Auflösung im anfänglichen ASCAT Bodenfeuchte Produkt zu beschreiben, welche speziellin Gebieten mit scharfen backscatter Kontrasten auftraten. Das zu erwartende Verhalten im Falle von absoluter Kalibrierungsunterschiede konnte ebenfalls erfolgreich simuliert werden, allerdings nimmt diese Charakteristik mit zunehmender Bodenfechte ab.

Since December 2008 the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) has been operationally distributing a global 25 km surface soil moisture product derived from the Advanced SCATterometer (ASCAT) on board the meteorological operational satellite METOP-A. Soil moisture is retrieved by using the change detection model originally developed for the Active Microwave Instrument (AMI) flown on the European satellites ERS-1 and ERS-2 by the Vienna University of Technology (TU-Wien). With the launch of the first of three METeorological Operational Platforms (METOP-A) in October 2006, ASCAT on board METOP-A inherits and continues the role of his predecessor AMI. The original soil moisture retrieval algorithm was expected to be almost directly applicable for ASCAT with only minor changes, since the configuration and technical design is similar to the ERS scatterometers. An important aspect for the TU-Wien model is to have a robust historic long-term reference data set of scattering parameters.<br />In view of this fact, the initial ASCAT soil moisture product had to rely on the model parameters derived from over 15 years of ERS-1/2 data sets. Because of differences in calibration and resolution, the combination of ASCAT backscatter measurements and ERS-1/2 historic long-term reference causes some problems in the initial ASCAT soilmoisture product. The objective of the present master thesis was to analyse and investigate the initial ASCAT soil moisture product with the main focus on quantification of the impact from the ERS-1/2 historic long-term reference data set. Therefore, a model was developed to investigate the expected two main effects: spatial resolution and calibration difference. It turned out that a simple model is able to describe the remaining artefacts in the initial ASCAT soil moisture product due to a spatial resolution difference, which especially occur in areas characterizedby sharp backscatter contrasts. The expected behaviour in case of different absolute calibration could have been modeled as well, though the characteristics are decreasing with increasing soil moisture.