QuikSCAT op het KNMI

Vanaf de lancering van de ERS satellieten in het begin van de jaren 90, lijkt een continue meetreeks van scatterometer windwaarnemingenm nu zeer wel mogelijk, mede dank zij de geplande lancering van QuikSCAT. In juni 1997 kwam de gegevenstroom met NASA scatterometer (NSCAT) metingen abrupt tot een einde na het dramatische verlies van de Japanse ADEOS-I satelliet. Een nieuwe scatterometer, SeaWinds, zal volgens plan in november a.s. worden gelanceerd door de NASA aan boord van een satelliet met de toepasselijke naam QuikSCAT. Sinds de Explorer in de jaren vijftig is QuikSCAT de eerste NASA aardobservatiesatelliet voor onderzoek met een doorlooptijd voor ontwikkeling van slechts een jaar. Verdere gegevens over de QuikSCAT missie en SeaWinds worden verstrekt door NASA . Het SeaWinds instrument is ook gepland op de Japanese ADEOS-II satelliet aan de start van het derde millenium.

Ontwikkelingen voor SeaWinds op het KNMI
Het KNMI en de Europese meteorologische gemeenschap kijken uit naar de windgegevens van SeaWinds omdat deze een brug kunnen slaan tussen de ERS scatterometer windgegevens van nu, en die van ASCAT op EPS/METOP later in de volgende eeuw. Procedures voor de interpretatie en kwaliteitscontrole zullen afgeleid worden voor het nieuwe SeaWinds concept, aan de hand van de expertise en ervaring van het KNMI met de NSCAT en ERS scatterometers.

1. Plannen met QuikSCAT in de operationele meteorologie
Met ondersteuning van de BCRS (BeleidsComissie Remote Sensing) en de EUMETSAT NWP-SAF hopen we snel tot een bruikbaar produkt te komen voor gebruik in de diverse Europese weermodellen (zoals ECMWF). Direct gebruik door de meteoroloog is echter ook aantrekkelijk, omdat die door QuikSCAT twee keer per dag in "real-time" een bijzonder gedetailleerd beeld krijgt van de weerpatronen boven de Atlantische oceaan en de Noordzee.

Het grondsegment voorziet in een gegevensreceptie bij Svalbard voor de meeste satellietbanen. Vandaar worden de gegevens binnen 20 minuten naar JPL en NOAA geloodsd. NOAA zal een speciaal "real-time" meteorologisch produkt definieren met het relatief kleine volume van 100 Mbyte per dag. Dit produkt moet binnen drie uur bij de klanten zijn.

ERS scatterometer windwaarnemingen laten veel details zien van het windveld.

2. De uitdagingen van een QuikSCAT kwaliteitsproduct
De Amerikaanse scatterometers werken in de zogeheten Ku frequentieband, terwijl de Europese scatterometers in de C-band werken. Het grote nadeel van Ku-band in vergelijking met C-band is de gevoeligheid voor druppels regen in de atmosfeer en voor hun inslag op het oceaanoppervlak. Onderzoek aan NSCAT op het KNMI heeft geleid tot kwaliteitscontrole procedures, die regen kunnen detecteren en daardoor lokaties met regen kunnen verwijderen. Gestoeld op onze ervaringen met NSCAT zullen voor QuikSCAT vergelijkbare procedures ontwikkeld worden.

De meetgeometrie van SeaWinds is fundamenteel verschillend van die van NSCAT of de ERS scatterometers, en daardoor zal de interpretatie en kwaliteitscontrole van de verstrooingsmetingen verschillen. Echter, met de expertise en ervaring met ERS en NSCAT, verwacht het KNMI dat voor ruim de helft van de 1800-km brede baan van metingen snel een bevredigende oplossing kan worden gevonden. Samen met een QuikSCAT EUMETSAT fellow zal de informatieinhoud van het overblijvende deel van de bemeten baan onderzocht worden, teneinde de verwerking van de SeaWinds gegevens verder uit te bouwen.

QuikSCAT in de ruimte.

Windrichting
Bepaling van de windrichting uit scatterometer metingen is het moeilijkst. Voor het oplossen van de windrichting op een lokatie zijn metingen vanuit verschillende kijkrichtingen (azimut) nodig met dezelfde of, zelfs beter, met verschillende polarisatie. Omdat het verband tussen verstrooiing en azimut harmonisch is en dus niet-lineair, moeten speciale inversieprocedures worden toegepast voor de bepaling van een windrichting zonder systematische fout. Voor "fan-beam" scatterometers zoals die van ERS of NSCAT is de verdeling van azimuts en polarisaties voor alle meetlokaties hetzelfde. Voor QuikSCAT en SeaWinds, met een roterende "pencil-beam" paraboolantenne is de verdeling van azimuts en polarisaties juist afhankelijk van de lokatie ten opzichte van de satelliet. Een bundel met horizontale polarisatie (HH) beschrijft een cirkel met een diameter van 1400 km op het aardoppervlak, en een bundel met verticale polarisatie (VV) een cirkel met 1800-km diameter. Lokaties vlak bij de "sub-satellite track" worden alleen voorwaarts en achterwaarts belicht, zij het in zowel horizontale als verticale polarisatie. Verder weg van het midden zijn er twee azimuts bij elke polarisatie, en hier zouden vrij snel na de lancering van QuikSCAT zinvolle windgegevens afgeleid moeten kunnen worden, gegeven onze ervaring met ERS en NSCAT. In een strook van tweehonderd kilometer aan de buitenzijden van de baan wordt slechts in VV polarisatie gemeten onder twee verschillende azimuts, d.i. voorwaarts en achterwaarts. Hier zal slechts onvolledige informatie over de wind vector kunnen worden afgeleid. Het moet echter in een later stadium mogelijk zijn ook deze gegevens te benutten in weermodellen.

3. Focus van het KNMI
Het KNMI Science Working Team loopt voorop in de ontwikkeling van het "real-time" gebruik van de gegevens van QuikSCAT. Onze inspanningen richten zich met name op:

• calibratie van de verstrooiingsmetingen boven de oceaan en karakterisatie van foutenbronnen
• afleiden van een optimaal algoritme voor de bepaling van de wind
• ontwikkeling van procedures voor de controle van de kwaliteit van de verstrooiinsmetingen en van de wind
• de bepaling van een unieke windrichting, zg "ambiguity removal"
• ontwikkelen van een zg "observation operator", nodig voor de assimilatie van de gegevens in weermodellen
• een procedure voor de effectieve "monitoring" van de kwaliteit van de meet- en windgegevens
• het aantonen van de bruikbaarheid van de winden voor meteorologen en in weermodellen

Ad Stoffelen