Generating historical AVHRR 1 km baseline satellite data records over Canada suitable for climate change studies

Abstract

Generating historical AVHRR 1 km baseline satellite data records over Canada suitable for climate change studies Rasim Latifovic, Alexander P. Trishchenko, Ji Chen, William B. Park, Konstantin V. Khlopenkov, Richard Fernandes, Darren Pouliot, Calin Ungureanu, Yi Luo, Shusen Wang, Andrew Davidson, and Josef Cihlar Pages 324-346 Abstract. Satellite data are an important component of the global climate observing system (GCOS). To serve the purpose of climate change monitoring, these data should satisfy certain criteria in terms of the length of observations and the continuity and consistency between different missions and instruments. Despite the great potential and obvious advantages of satellite observations, such as frequent repeat cycles and global coverage, their use in climate studies is hindered by substantial difficulties arising from large data volumes, complicated processing, and significant computer resources required for archiving and analysis. Successful examples of satellite earth observation (EO) data in climate studies include, among others, analyses of the earth's radiation budget (Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), Scanner for Radiation Budget (ScaRaB), and Cloud and the Earth's Radiant Energy System (CERES)), cloudiness (International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP)), vegetation research (Global Inventory Modeling and Mapping Studies (GIMMS)), and the National Oceanic and Atmospheric Administration – National Aeronautics and Space Administration (NOAA–NASA) Pathfinder Program. Despite several attempts, the great potential of the advanced very high resolution radiometer (AVHRR) 1 km satellite data for climate research remains substantially underutilized. To address this issue, the generation of a comprehensive satellite data archive of AVHRR data and products at 1 km spatial resolution over Canada for 1981–2004 (24 years) has been initiated, and a new system for processing at level 1B has been developed. This processing system was employed to generate baseline 1 day and 10 day year-round clear-sky composites for a 5700 km × 4800 km area of North America. This region is centred over Canada but also includes the northern United States, Alaska, Greenland, and surrounding ocean regions. The baseline products include top-of-atmosphere (TOA) visible and near-infrared reflectance, TOA band 4 and band 5 brightness temperature, a cloud – clear – shadow – snow and ice mask, and viewing geometry. Details of the data processing system are presented in the paper. An evaluation of the system characteristics and comparison with previous results demonstrate important improvements in the quality and efficiency of the data processing. The system can process data in a highly automated manner, both for snow-covered and snow-free scenes, and for daytime and nighttime orbits, with high georeferencing accuracy and good radiometric consistency for all sensors from AVHRR NOAA-6 to AVHRR NOAA-17. Other processing improvements include the implementation of advanced algorithms for clear sky – cloud – shadow – snow and ice scene identification, as well as atmospheric correction and compositing. At the time of writing, the assembled dataset is the most comprehensive AVHRR archive at 1 km spatial resolution over Canada that includes all available observations from AVHRR between 1981 and 2004. The archive and the processing system are valuable assets for studying different aspects of land, oceans, and atmosphere related to climate variability and climate change.

Les données satellitaires sont une composante importante du système d'observation du climat à l'échelle du globe (GCOS). Pour les besoins du suivi du changement climatique, ces données devraient satisfaire certains critères en termes de durée des observations et de continuité et de cohérence entre les différentes missions et instruments. En dépit du potentiel énorme et des avantages évidents des observations satellitaires, comme la répétitivité fréquente de passage et une couverture globale, leur utilisation dans les études climatiques est limitée par des difficultés substantielles résultant des volumes importants de données, de la complexité des traitements et de la nécessité de disposer de ressources informatiques importantes pour l'archivage et l'analyse des données. Des exemples de réussite dans l'utilisation des données satellitaires d'observation de la Terre (OT) dans le contexte des études climatiques incluent notamment des analyses du bilan radiatif de la Terre (ERBE, SCaRaB, CERES), de la nébulosité (ISCCP), des études sur la végétation (GIMMS) et le programme Pathfinder NOAA–NASA. Malgré plusieurs tentatives, le grand potentiel des données AVHRR à 1 km de résolution pour la recherche sur le climat demeure substantiellement sous utilisé. Dans cette optique, la génération d'une archive complète de données satellitaires composée de données et produits AVHRR à la résolution spatiale de 1 km au-dessus du Canada pour la période 1981–2004 (24 ans) a été initiée et un nouveau système de traitement au niveau 1B a été développé. Ce système de traitement a été utilisé pour générer des images synthèse temporelles de ciel clair de référence de 1 jour et 10 jours à longueur d'année pour une surface de 5700 × 4800 km2 en Amérique du nord. Cette région est centrée au-dessus du Canada, mais elle couvre également le nord des États-Unis, l'Alaska, le Groenland et les régions océaniques limitrophes. Les produits de référence comprennent la réflectance au sommet de l'atmosphère (TOA) dans le visible et l'infrarouge, la température de brillance TOA de la bande 4 et 5, un masque de classification nuage – ciel clair – ombre – neige-glace et la géométrie de visée. On présente dans cet article des détails sur le système de traitement des données. Une évaluation des caractéristiques du système et une comparaison avec les résultats antérieurs témoignent d'améliorations importantes dans la qualité et l'efficacité du traitement des données. Le système peut traiter des données d'une façon hautement automatisée, à la fois pour les images avec de la neige et les images sans neige et pour les orbites de jour et de nuit, avec une précision élevée au plan de la géo-référenciation ainsi qu'une bonne cohérence radiométrique pour tous les capteurs AVHRR, de NOAA-6 à NOAA-17. Parmi les améliorations apportées au plan du traitement, notons la mise en place d'algorithmes avancés pour l'identification des images de ciel clair – nuages – ombre – neige et de la glace, de même que pour la correction atmosphérique et la réalisation d'images synthèse. Au moment de rédiger cet article, l'ensemble de données ainsi assemblé constitue l'archive la plus complète de données AVHRR à 1 km de résolution au-dessus du Canada comprenant toutes les observations AVHRR disponibles entre 1981–2004. L'archive et le système de traitement constituent des outils précieux pour l'étude des différents aspects terrestres, océaniques et atmosphériques reliés à la variabilité climatique et au changement du climat.[Traduit par la Rédaction]