Water vapor correction to improve the operational calibration for NOAA AVHRR/3 channel 2 (0.85 µm) over a desert target

Abstract

The Advanced Very High Resolution Radiometers (AVHRRs) flown on the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) and the European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT) polar satellites have been providing invaluable data for Earth system science and global change studies. However, the use of AVHRR solar reflectance products (e.g., normalized difference vegetation index (NDVI)) is constrained by calibration uncertainty, largely owing to the lack of an on-orbit calibration device for solar reflectance channels. Since the mid-1990s, NOAA has been applying operational calibration to these channels using the time series of top-of-atmosphere (TOA) measurements of the Libyan Desert site. However, the assumed radiometric stability of Libyan Desert TOA measurements can be disrupted by short-term variations in atmospheric components, especially for AVHRR channel 2, which has a spectral response function covering water vapor absorption lines in the near-infrared (NIR) spectra. This study aims to improve the calibration accuracy of AVHRR channel 2 data by applying water vapor correction over the homogeneous desert target surface using the water vapor content (W) derived from the linear relationships between the AVHRR split-window temperature difference (ΔT) and the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NIR water vapor product. Results show that the linear ΔT–W relationship is affected by the temperature lapse rate at the satellite over-passing time and the spectral response functions of AVHRR split-window channels. Water vapor correction reduces the calibration uncertainty from 2.6%–3.5% to 1.7%–1.8%, and about 1.0% surface-based relative calibration accuracy is independent of the water vapor uncertainty introduced by the ΔT–W regression. Furthermore, the short-term variations in the channel 2 operational degradation rate are largely reduced after water vapor correction. Thus, implementing water vapor correction can improve the operational calibration accuracy for AVHRR channel 2.

Les capteurs AVHRR (« Advanced Very High Resolution Radiometer ») embarqués sur les satellites polaires NOAA (« National Oceanic and Atmospheric Administration ») et EUMETSAT (« Organisation européenne pour l'exploitation des satellites météorologiques ») fournissent des données précieuses pour les études en science du système terrestre et des changements à l'échelle du globe. Cependant, l'utilisation des produits de réflectance solaire d'AVHRR (par ex. le NDVI (normalized difference vegetation index)) est limitée par l'incertitude de l'étalonnage due largement à l'absence d'un système d'étalonnage sur orbite pour les bandes de réflectance solaire. Depuis le milieu des années 1990, la NOAA applique l'étalonnage opérationnel à ces bandes en utilisant des séries chronologiques de mesures au sommet de l'atmosphère (TOA) du désert libyen. Cependant, la stabilité radiométrique assumée des mesures TOA du désert libyen peut être perturbée par des variations à court terme des composants de l'atmosphère, spécialement dans le cas de la bande 2 d'AVHRR qui a une fonction de réponse spectrale couvrant des lignes d'absorption de la vapeur d'eau dans les spectres du proche infrarouge (NIR). Dans cette étude, l'objectif consiste à améliorer la précision de l'étalonnage des données de la bande 2 d'AVHRR en appliquant une correction pour la vapeur d'eau au-dessus de la surface homogène de la cible désertique à l'aide de la teneur en vapeur d'eau (W) dérivée des relations linéaires entre la différence de température d'AVHRR (ΔT) obtenue par la méthode « split-window » et le produit NIR de vapeur d'eau de MODIS (« Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer »). Les résultats montrent que la relation linéaire ΔT–W est affectée par le gradient vertical de température au moment du passage du satellite et les fonctions de réponse spectrale des bandes « split-window » d'AVHRR. La correction pour la vapeur d'eau réduit l'incertitude de l'étalonnage de 2,6 %–3,5 % à 1,7 %–1,8 % et environ 1,0 % de la précision de l'étalonnage relatif basé sur la surface est indépendante de l'incertitude de la vapeur d'eau introduite par la régression ΔT–W. De plus, les variations à court terme de la vitesse de dégradation opérationnelle de la bande 2 sont largement réduites après la correction pour la vapeur d’eau. Ainsi, l'application de la correction pour la vapeur d'eau peut améliorer la précision de l'étalonnage opérationnel de la bande 2 d'AVHRR.

[Traduit par la Rédaction]

Acknowledgement

This work is funded by the Product Systems Development and Implementation (PSDI) program of the NOAA–NESDIS – Office of Systems Development (OSD). We would like to thank M.K. Rama Varama Raja, Pubu Ciren, Chenyang Xiao, Frank Padula, and Michael Grotenhuis for their review comments on this paper. We also appreciate the help from Quanhua Liu on the discussion of aerosol distribution on the water vapor absorption in the shortwave spectra. The manuscript contents are solely the opinions of the authors and do not constitute a statement of policy, decision, or position on behalf of NOAA or the US government.