Meteosat Third Generation (MTG): Vorgeschlagene Beobachtungsmissionen zur Erfüllung von Nutzeranforderungen

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1 2 1 Meteosat Third Generation (MTG): Vorgeschlagene Beobachtungsmissionen zur Erfüllung von Nutzeranforderungen R. Stuhlmann 1, A. Rodriguez 1, P. Benzi 2, D. Aminou 2, and J.-L. Bezy 2 Operationelle Satellitensysteme der Erdüberwachung DWD/DLR Nationaler Nutzerworkshop 7-9 November, Walberberg Page 1

2 Inhalt Einleitung MTG User Consultation Process MTG Kandidat Imagery Missionen HRFI Mission FDHSI Mission FC Missionskonzept MTG Kandidat Lightning Mission MTG Kandidat InfraRed Sounding Mission UV Sounding Mission Zusammenfassung Page 2

3 MTG User Consultation Process/AEGs Schritt 1: Erfassung von Nutzer/Service Anforderungen für den Zeitrahmen und deren Ordnung nach Prioritäten Schritt 2: Ableitung der zugehörigen Beobachtungsanforderungen : Beobachtungsrate; horizontale/vertikale Auflösung; Genauigkeit, Überdeckung, bezüglich dreier Anforderungsniveaus: threshold : unterhalb ist die Beobachtung wertlos; goal : oberhalb liefert die Beobachtung keine zusätzliche Information; breakthrough : Sprung im Informationsgewinn für den untersuchten Service dokumentiert für MTG in 3 Positionspapieren, indossiert vom EUMETSAT Council Observation Reqiuirements for Nowcasting and Very Short Range Forecasting Requirements of Observations for Regional NWP Requirements for Observations for Global NWP Page 3

4 MTG User Consultation Process/RSEs Schritt 3: Analyse der Nutzer/Service- und zugehöriger Beobachtungsanforderungen bezüglich möglicher Satelliten Konzepte in ausschließen was physikalisch nicht möglich ist - charakteresieren des erreichbaren Niveaus (e.g. threshold, breakthrough, goal) -ordnenbezüglichgeo (dt<1h) oder LEO (dt > 1 h) Orbit Kandidat Schritt 4: Ergebnisse präsentiert am 1st Post-MSG User Consultation Workshop Schritt 5: EUMETSAT Council indossiert WS Empfehlungen und beauftragt: Konsolidierung der Nutzer/Service Anforderungen bezüglich: Anwendungen Luftchemie/Luftqualität Klimaüberwachung Bewertung spezieller Beobachtungkonzepte vom geostationären Orbit: Multi-spectral Imagery Hyperspectral InfraRed Sounding Lightning Imagery Passive mm and sub-mm Observations UV-VIS Sounding Page 4

5 MTG Kandidat Beobachtungsmissionen Schritt 6: Konsolidierung der Nutzer/Service Anforderung und Bewertung potentieller Beobachtungskonzepte liefert fünf Missionen als Kandidaten für MTG pre-phase A Studien auf Systemebene: Drei Imagery Missionen - Unterstützung operationeller Meteorologie/(Klima), mit Betonung auf Nowcasting/Very Short Term Forecasting (NWC): Regionale Imagery Mission mit hoher räumlicher/zeitlicherauflösung (HRFI) (Nachfolger der MSG HR-VIS Kanal Mission ΔX ~ 500m, BRC ~ 5 min) Globale Imagery Mission mit hoher spectraler Auflösung (FDHSI) (Nachfolger der MSG SEVIRI mission ΔX ~ 3000m, BRC ~ 15 min) Lightning Imagery (LI) mission InfraRed Sounding (IRS) Mission - Hauptziel operationelle Meteorologie/(Klima), und Potential zur Unterstützung von AtmosphärenChemie Anwendungen UV/Visible Sounding (UVS) Mission - speziell für AtmosphärenChemie Page 5

6 Kandidat HRFI Mission Grundsätzliche/übergreifende Nutzeranforderungen: - Erweiterung der Anwendungen des MSG HR-VIS Kanales; Hauptziel - Erfassung von Konvektion und zugehörige schnelle zeitliche Entwicklung der Komponenten des hydrologischen Zyklus, um durch Beobachtungen über ausgewählten Gebieten zur Minderung schwerer Sturmschäden beizutragen. Notwendigkeit einer qualitativen Datenanalyse zur Bereitstellung relativer Änderungen / schneller Entwicklungen als Produkte zur Untersützung von NWC Page 6

7 Kandidat FDHSI Mission Grundsätzliche/übergreifende Nutzeranforderungen: - Kontinuität und Erweiterung der MSG SEVIRI Mission; Hauptziel - NWC Katastrophenmanagement bezüglich Bedrohung von Leben, Besitz,Transport und Versorgungseinrichtungen, verursacht durch konvektive/nicht-konvektive Ereignisse, kritische Wettersituationen (z.b. Nebel, Sand und Staubstürme), Feuer und Eruption von Vulkanasche; und zusätzliches Ziel ist die Unterstützung numerischer Wettervohersage (regional/global) und Klimaüberwachung Notwendigkeit einer quantitativen Datenanalyse zur Bereitstellung von Produkten hoher Präzision zur Unterstützung von NWC, NWP, und Klimaüberwachung Page 7

8 Candidate Flexible Combined (FC) Imagery Mission The flexible combined Imagery Mission shall fully cover FDHSI user/service needs support HRFI user/service needs as possible Improvements compared to MSG: improved Spatial Resolution (0.5 km - 2 km) faster basic repeat cycle (brc = 10 min) better spectral coverage (15 core channels) improved spectral and radiometric accuracy Coverage Full Disk Coverage 18 o x18 o Repeat cycle 10 min Local Area Cov. 18 o x6 o 10/3 min Page 8

9 Candidate MTG FC Imagery Mission Core Channels VIS km VIS km VIS km NIR km NIR km Aerosols Surface Albedo Vegetation Cirrus Clouds Snow/Ice/Phase New New NIR km IR km IR km IR km IR km Particle Size Cloud µφ Fire detection Fire Radiative Power UT Water Vapour MT Water Vapour (Upper Level SO 2 ) Cloud Phase Volcanic Ash Fire Radiative Power New IR km IR km IR km IR km IR km Total Ozone Surface Temperature Low Level Moisture Cloud Top Height Cloud top Height New Page 9

10 Water Vapour mixing ratio [kg/kg] 730 hpa layer 1km / 3min 730 hpa layer 2km / 10min 484 km 484 km 584 km 584 km Page 10

11 Candidate FC Imagery Mission Optional Channels Channels Central Spatial Maximum Reference SNR resolution for cloud top height Option 1 wavelength Signal nm km determination by Wm -2 sr -1 μm -1 2x2km 2 FC-OPT differential FC-OPT absorption 380in the FC-OPT oxygen A-Band FC-OPT Channels Central Spatial Minimum Maximum Reference NEdT Option 2 wavelength resolution Signal for cloud Signal top height μm km K 2x2km determination by 2 FC-OPT FC-OPT CO 2 -slicing 300 in the FC-OPT µm CO300 2 band FC-OPT Channels Central Spatial Minimum Maximum Reference SNR Option 3 wavelength resolution Signal for improved Signalaerosol μm km detection 1x1km 2 FC-OPT % 120% 1% 30 FC-OPT % 120% 1% 30 Channels Central Maximum Minimum Maximum Reference NEdT Fire wavelength Signal Signal Extended Signal dynamical Applications μm K range K 2x2km 2 FC-IR for fire monitoring FC-IR application Page 11

12 Decisions 3rd MMT meeting 6-7 October 2005 review FC mission in the light as recommended at 2 nd User Workshop, Locarno April 2005 discard the oxygen A-band option discard CO 2 -slicing option and approve the 2 core channels implement the 2 channel aerosol option instead of 1 core channel implement the fire extended dynamical range option assess if a 0.9 µm channel to improve on total precipitable water retrieval can be implemented and deliver the FC-IR 7.3 data only at coarse spatial resolution of 2 km. Page 12

13 Candidate MTG FC Mission Channel specification 'Core' Channels Central wavelength Width Minimum Maximum Reference SNR/NEdT μm μm Signal Signal Signal (% / K) FC-VIS % 120% 1% 25 FC-VIS (TBC) % 120% 1% 25 FC-VIS % 120% 1% 12* FC-VIS % 120% 1% 30 FC-VIS 0.9 TBD TBD TBD TBD TBD TBD FC-NIR % 80% 1% 40 FC-NIR % 100% 1% 30 FC-NIR % 100% 1% 12* FC-IR 3.8*** K 350 K 300 K 0.2* FC-IR K 270 K 250 K 0.3 FC-IR K 285 K 250 K 0.3 FC-IR 8.5*** K 330 K 300 K 0.1 FC-IR K 310 K 250 K 0.3 FC-IR K 340 K 300 K 0.2* FC-IR K 340 K 300 K 0.1 FC-IR K 300 K 250 K 0.2 FC-IR K 290 K 270 K 0.2 *** Channels FC-IR 3.8/ FC-IR 8.5 extended dynamical range for Fire applications Spatial Res. km / / / / * high spatial resolution Page 13

14 Candidate FC Imagery Mission: How to operate? at 5 min BRC min min min at 15 min BRC min min at 15 min BRC min min at 15 min BRC min min Page 14

15 Prioritäten: Kandidat MTG LI Mission Grundsätzliche/übergreifende Nutzeranforderungen: Erfassung aller drei Arten von Blitzen: Wolkenintern (IC), Wolke-Wolke (CC), Wolke-Boden (CG) - NWC - Verbesserung bei Warnungen vor Strumschäden und Blitzschlagalarm - NWP(?) - Vertreter für: intensive Konvektion und verbundenem Eisfluss, Vertikalwindstärke, diabatische und latente Erwärmung, Wasserdampfgehalt der oberen Troposphäre - Chemie - NO x Produktion - Unterstützung Klimaüberwachung Page 15

16 Lightning Imaging (LI) Mission Requested to detect 90 % of individual flashes: In Cloud (IC), Cloud to Cloud (CC), and Cloud to Ground (CG) FOV 16 Earth Disk IFOV 8 km at nadir; 10 km at 45 degrees N Wavelength Neutral oxygen line OI(1) at nm Integration time 2ms - 1ms optimised to meet DE and FAR Median lightning pulse width 0.5ms Energy range µjm -2 sr -1 Detection Efficiency (DE) > 90% for any individual strike False Alarm Rate (FAR) < 1 flash/sec (averaged over the full Earth, assuming 50% cloud cover) Repeat cycle continuous (as integration time) Accuracy intensity better 50% (20% goal) MMT proposes Co-registration to reduce HRFI/FDHSI: DE to 70% and better than 1 IFOV to reduce coverage through coordination with other Agencies Page 16

17 Kandidate MTG IRS Mission Grundsätzliche/übergreifende Nutzeranforderungen: - Hauptziel - Unterstützung der kurz-, mittel- und langfrist Wettervorhersage durch Verbesserung der Dynamik. Zusätzlich - in Synergie mit den anderen MTG Missionen (insbesondere UVS) Unterstützung für Anwendungen im Bereich Atmosphärenchemie und Luftqualität. Ordnung der IRS Anwendungen nach Prorität: - Atmosphärendynamik mit hoher vertikaler/horizontaler Auflösung (z.b. Wasserdampffluss, Windprofil, Schadstofftransport) - zeitlich/räumlich häufigere Information bezüglich Temperatur- und Feuchteprofil für NWP (regional und global) - Überwachung von Instabilitäten / frühe Warnung vor intensiver Konvektion - Wolkenmicrophysik - Atmosphärenchemie und Luftqualität Page 17

18 Candidate MTG IR Sounding Mission Hyperspectral IR sounding with focus on time evolution of vertically resolved water vapour structures Coverage Repeat cycle Full Disk Coverage 18 o x18 o 30 min Local Area Cov. 18 o x6 o 10 min Page 18

19 Candidate MTG IR Sounding Mission Mission Band Frequency range cm -1 IRS IRS IRS IRS IRS IRS IRS IRS IRS IRS Main Contribution CO 2 CO 2 Surface, Clouds O 3 Surface, Clouds H 2 O, N 2 O, and CH 4 * H 2 O, NO * CO, N 2 O CO 2 Surface, Clouds,N 2 O (*) Only one of the two bands required Coverage Full Disk Coverage 18 o x18 o Repeat cycle 30 min Local Area Cov. 18 o x6 o 10 min Page 19

20 Candidate MTG IR Sounding Mission wavelength: Brightness Temperature (K) /5 5/1 3(2) 4 4 Band Priority: 210 Spatial Resolution 6km Spatial Resolution 3km wavenumber (1/cm) Page 20

21 Candidate MTG IR Sounding Mission Mission Band Frequency range (cm -1 ) Main Contribution Resolving Power * at central frequency Spectral Resolution within band Δν Δλ (cm -1 ) (µm) NEdT (K) at T ref = 280 K NEdL mw/[m² sr cm -1 ] IRS-0 Decision 667 taken 700 at 3rd MMT CO 2 meeting to 1367 reduce the 0.5 band width coverage TBDto maximum TBD as below 5 IRS-1** CO IRS Surface, clouds IRS-3** O IRS Surface, clouds IRS H 2 O, N 2 O, CH 4, SO IRS H 2 O, NO and CO IRS-7** ** CO, N 2 O Band Priority / / IRS CO TBD TBD 4 IRS ** 2500 final coverage Surface, clouds, of IRS-1, N 2 O IRS-7, 1000and IRS under investigation TBD TBD 4 *: Resolving power: R=ν/Δν=λ/Δλ IE = ΔX = 6km IE = ΔX = 3km Low Spatial Resolution > 8.26 µm > High Spatial Resolution Page 21

22 Kandidat UVS Mission - derzeit nicht auf MTG UVS Mission zielt direkt auf Anwendungen der Atmosphärechemie und Luftqualität - Die Anforderungen an die notwendigen Beobachtungen ergeben sich als wichtige Zusatzkomponente der meteorologischen Vorhersage aus den rasch ansteigenden Nutzer/Service Anforderungen bezüglich Information über / Vorhersage von relevanten chemischen Bestandteilen in der Troposphäre. - Die Betonung liegt dabei auf dem Tagesgang troposphärischer Beiträge atmosphärischer Spurengase (O 3, NO 2, SO 2, H 2 CO) und Aerosole, einschließlich ihrer räumlichen Variabilität, horizontalem Transport und möglichem vertikalen Austausch verbunden mit Wetter- und Klimaprozessen. - UVS Mission ist derzeit kein Kandidat für MTG und eine Analyse erfolgt nur auf Instrumentenebene innerhalb der MTG pre Phase-A Studien. Mögliche Realisierung durch GMES Sentinel 4 in Verbindung mit MTG. Page 22

23 Candidate UVS Mission UVS no MSG heritage but from user point of view related to ERS, EPS GOME, ENVISAT SCIAMACHY capture regional, diurnal and sporadic behaviour of tropospheric contributions of atmospheric trace gases (O 3, NO 2, SO 2, H 2 CO) and aerosols due to biological, photochemical, and volcanic factors Coverage Repeat cycle Nominal 18 o NSx6 o EW 30 min Special 6 o x6 o 10 min (placed variable - follow sun illumination) Spatial Resolution 6km Page 23

24 Candidate UVS Mission Mission Wavelength range Spectral Threshold Task Band nm resolution nm UVS-1A UVS-1B Trace gas retrieval notably stratospheric O 3 UVS-1C UVS-2S UVS-3S UVS-2P UVS-3P Trace gas retrieval notably SO 2 Trace gas retrieval notably O 3 UVS Trace gas retrieval notably HCHO and BrO Polarisation measurement /Polarisation insensitive measurement UVS Trace gas retrieval notably NO 2 UVS-6A UVS-6B UVS-6C Cloud detection, cloud poperties, scattering height Priority ranking: High Priority: Bands 1C - 5 Lower Priority: Bands 6A, 6B Lowest Priority: Bands 1A, 1B, 6C Page 24

25 Zusammenfassung Das MTG Konzept der pre Phase-A Industriestudien wurde den Nutzern auf dem 2 nd MTG User Consultation Workshop April 2005 in Locarno vorgetstellt: Die Reihenfolge der Priorität der fünf MTG Kandidat Missionen wurde bestätigt 1 st Imagery, 2 nd IR Sounding, 3 rd Lightning, 4 th UV Sounding Weitere Aussagen sind: 3-Achsen stabilisierter Satellit notwendig für Imagery Mission ist akzeptiert ( comp. to IRS) schrittweise Entwicklung und Einsatz (2 Satelliten) übereinstimmend mit MTG Anforderungen Flexible Combined (FC) Imager Konzept bestätigt als Lösung für FDHSI/HRFI Missionen Bedienung der FC Mission (FD/LAC) im operationellen Betrieb muss abgestimmt werden 0.55 µm Kanal(zusätlichergrünerKanalfürAerosole) sollimplementiertwerden 0.93 µm Kanal (Flüssigwassergehalt) soll als zusätzliche Option geprüft werden IRS Mission soll bezüglich Anwendungen mit hoher Priorität optimiert (vereinfacht) werden akzeptiert, dass UVS keine MTG Mission ist (Koordination mit GMES Sentinel 4 angedacht) Page 25

26 MTG Entwicklungsphasen : USER CONSULTATION PROCESS & PRE-PHASE A STUDIES (PHASE 0) : PHASE 1 - HIGH LEVEL USER NEEDS & PRIORITIES AGREED, PREPARATION OF PRE-PHASE A STUDIES : PHASE 2 - SYSTEM CONCEPT STUDIES (PRE-PHASE A), EVALUATION / PRE-SELECTION OF MTG MISSIONS : (PHASE A) MTG STUDIES OF SELECTED MISSION CONCEPTS APPROVAL PROCESSES: MTG PREPARATORY PROGRAMME : (PHASE B) MTG SYSTEM DEFINITION COORDINATED ESA & EUM PROGRAMMES (EUM PREPARATORY PROGRAMME), APPROVAL PROCESSES: MTG PROGRAMMES (ESA & EUMETSAT) : (PHASES C-D) MTG SYSTEM and SEGMENTS DEVELOPMENT / ON-GROUND TEST (PHASE E) MTG NOMINAL NEED DATE Page 26

27 Bereitstellungsdatum für MTG ist % Verfügbarkeitsanforderung erfordert Hot Back Up Strategie (optimale Umstände vorausgesetzt!!) Page 27

28 Ende Detailierte Information bezüglich des aktuellen Status von MTG, alle Endberichte durchgeführter Studien sowie zusammenfassende Berichte und Präsentationen aller Expertentreffen verfügbar unter: Page 28