CrIS/VIIRS  Comparisons  David  Tobin,  Chris  Moeller,  Greg  Quinn,  Hank  Revercomb  

 GSICS  Annual  MeeBng  

Williamsburg,  VA  3-­‐8  March  2013  

 

2  

NOAA/STAR    CrIS  SDR  Cal/Val;  

UW  efforts:  

CrIS  In-­‐orbit  Radiometric    Uncertainty  EsBmaBon  

Internal    consistency  checks    on  Radiometric  CalibraBon  

Radiometric  Non-­‐linearity  Refinement  &  EvaluaBon  

Radiometric  Noise  

assessment  

Variable    arBfact  

assessment  using  PCA  

Early  broadband  comparisons  with  GOES  and  other  

GEOs  

Clear  sky    Obs  minus  Calc  

Analysis  

Internal  consistency  checks  on  spectral  

calibraBon,  spectral  self-­‐apodizaBon  correcBon  

and  resampling  

Analysis  of  non-­‐uniform  scene  effects  on  the  

ILS  

SNO  comparisons  with  IASI  and  AIRS  

CrIS/VIIRS  Radiance  

Comparisons  

ICT  Environmental  Model  EvaluaBon  and  Refinement  

Hyperspectral  Infrared  Satellite  IntercalibraBon  Studies  NASA  Satellite  Calibra.on  Interconsistency  Studies  (SICS11)  selec.on  

Monochromatic spectrum, CrIS spectrum, and VIIRS SRFs BT

 (K)  

wavenumber,  1/cm  

BT  (K

)  

wavenumber,  1/cm  

M13  4um  

M15  10.8um  

M16A  12um  

4  

Ø  Comparisons  are  performed  rou.nely  for  bands  M13,  M15,  M16A,  and  I5  (not  shown)  Ø  M15  and  M16A  SRFs  include  small  OOB  contribu.ons  in  the  8.5µm  gap  region  

Example  Daily  comparisons,  M15  band  @  10.8µm,  Descending  

CrIS  convolved  with  VIIRS  SRF   VIIRS  mean  within  CrIS  FOVs  

VIIRS  standard  deviaBon  within  CrIS  FOVs   Differences  for  uniform  scenes  

BT  (K)  210      220        230          240        250      260          270        280          290        300  

0                  1                  2                  3              4                  5                6                    7                8                    9              10   -­‐5            -­‐4                -­‐3                -­‐2              -­‐1                0                1                  2                  3                4                  5  

BT  (K)  210      220        230          240        250      260          270        280          290        300  

BT  (K)   VIIRS  -­‐  CrIS  (K)  

Ø  CrIS  processing  is  ADL/CSPP  with  v33  Eng.  Packet;  VIIRS  is  IDPS  product  Ø  Each  day  includes  ~500,000  coloca.ons  which  pass  a  spa.al  uniformity  test  

Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar−0.2

−0.15

−0.1

−0.05

0

0.05

0.1

0.15

VIIR

S −

CrIS

BT

(K)

CrIS/VIIRS Daily Mean Differences

M13, 4umM15, 10.8umM16, 12um

Ø  Daily  mean  differences  are  <  0.1K  since  VIIRS  OBC  LUT  change  in  early  March  Ø  Slow  trends  are  observed  in  all  three  bands,  ~15  mK,  over  the  past  year  Ø  Discon.nui.es  are  due  to  known  events  (e.g.  VIIRS  OBC  LUT  change  in  early  March,  shutdown/

restart  on  March  24/25,  VIIRS  nonlinearity  tests  in  May,  Sep,  Dec)  

6  

Daily Mean Differences

200 220 240 260 280 300 320−0.5

−0.4

−0.3

−0.2

−0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

BT (K)

VIIR

S −

CrIS

BT

(K)

CrIS/VIIRS Differences versus Scene BT (4/1 to 02/25)

M13, 4umM15, 10.8umM16, 12um

Ø  M13  differences  show  li_le  dependence  on  scene  BT,  except  for  coldest  scenes  Ø  M15  and  M16  show  clear  scene  BT  dependence  of  differing  magnitude;  Further  inves.ga.ons  

are  underway,  including  signal  dependence  of  the  CrIS  calibra.on  uncertainty,  VIIRS  SRF  OOB  effects,  and  VIIRS  comparisons  with  IASI  and  AIRS.  

7  

Scene Temperature Dependence

8

CrIS  Non-­‐Linearity  CorrecBons  

•  The  CrIS  RU  budget  and  SDR  algorithm  did  not  originally  include  NL  contribu.ons;  Significant  quadra.c  NL  realized  for  LW  and  MW  (MCT)  bands  and  characterized  only  with  system  level  TVAC  tes.ng.    SW  band  (InSb)  is  linear.  

•  The  correc.on  is  FOV#,  band,  wavenumber,  and  scene  dependent  •  The  NL  magnitude  was  observed  to  change  between  TVAC  cycles,  par.cularly  for  certain  MW  FOVs.  •  Post-­‐launch,  the  on-­‐orbit  NL  has  been  characterized  using  harmonic  out-­‐of-­‐band  analysis  of  ICT  

views  and  FOV-­‐2-­‐FOV  consistency  analysis  of  Earth  views.  

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

200

220

240

260

280

300

Sample FOV7 Spectrum

wavenumber

BT (K

)

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600−1.5

−1

−0.5

0

0.5NLC effect; NLC minus no NLC

wavenumberBT

Diff

(K)

Example  correcBons  

Corrected  Raw  Complex  Spectrum  =  Raw  Complex  Spectrum  ×  (1+  2  a2  V)  where  V  is  DC  level  voltage  at  1st  stage  of  preamplifier      

BT  Dif  (K)  

BT  (K

)  wavenumber  

Longwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Midwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Shortwave (linear)

1 2 3

4 5 6

7 8 9 0 1 2 3 40.5

11.5

22.5

33.5

a2 (1/V)0 0.02 0.04 0.06 0.08

Longwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Midwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Shortwave (linear)

1 2 3

4 5 6

7 8 9 0 1 2 3 40.5

11.5

22.5

33.5

a2 (1/V)0 0.02 0.04 0.06 0.08

Longwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Midwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Shortwave (linear)

1 2 3

4 5 6

7 8 9 0 1 2 3 40.5

11.5

22.5

33.5

a2 (1/V)0 0.02 0.04 0.06 0.08

Longwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Midwave

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Shortwave (linear)

1 2 3

4 5 6

7 8 9 0 1 2 3 40.5

11.5

22.5

33.5

a2 (1/V)0 0.02 0.04 0.06 0.08

CorrecBon  Coefficient,  a2  

 NLC  effect:  

Ø  Very  similar  behavior  observed  for  all  CrIS  FOVs   9  

Scene Temperature Dependence, by CrIS FOV FOV  1   FOV  2   FOV  3  

FOV  4   FOV  5   FOV  6  

FOV  7   FOV  8   FOV  9  

CrIS  ICT  Predicted  Radiance  

1%  

RICT  =  εICT  B(TICT)  +  (1-­‐εICT)  RICT,Reflected  

ICT  Emissivity  

ICT  Emissivity  Uncertainty  

T  refl,  modeled  

Ø  The  predic.on  includes  a  modeled  component  of  the  reflected  radiance  which  varies  with  orbit  phase.  

Ø  The  effect  is  expected  to  be  small,  but  largest  for  warm  scenes  in  SW  band  and  edge  of  MW  band.  

orbit time (sec)

delta

T (K

)

0 50 100 150 200 250 300 350

−0.2

−0.1

0

0.1

0.2

0.3

orbit phase

VIIR

S −

CrIS

BT

(K)

CrIS/VIIRS Differences versus Orbit Phase (4/1 to 02/26)

M13, 4um

11  

Orbit Phase Dependence

Eq.   Eq.  N.Pole   Eq.  S.Pole  

Ø  Li_le  dependence  on  orbit  phase  for  M13  is  a  verifica.on  of  the  CrIS  ICT  environmental  model  (blackbody  reflected  term)  accuracy.  

VIIRS-­‐CrIS  Comparisons  During  VIIRS  OBC  WUCD  

12  

Nominal  biases  at  opera/onal  OBC  temperature  and  above  converge  when  OBC  cools  to  ambient  

OBC  Warmup  Phase  OBC  Cooldown  Phase  

10-­‐Sep-­‐2012   11-­‐Sep-­‐2012  

Ø  For  warm  scenes,  cooling  the  OBC  temperature  causes  (1)  M13  biases  to  converge  with  those  of  M15  and  M16,  as  well  as  (2)  be_er  overall  agreement  with  CrIS.  

Ø  Has  poten.al  implica.ons  for  developing  refinements  to  the  VIIRS  OBC  emissivity  and/or  instrument  temperatures,  for  example.  

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90−1

−0.8

−0.6

−0.4

−0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

cross track index

VIIR

S −

CrIS

BT

(K)

CrIS/VIIRS Differences versus Scan Angle (4/1 to 02/25)

M13, 4umM15, 10.8umM16, 12um

13  

Scan Angle Dependence

Ø  Differing  designs  and  sensi.vity  to  poten.al  scan  angle  biases,  yet  li_le  dependence  on  scan  angle  is  observed.  

Summary  ²  These  types  of  comparisons  are  beneficial  for  both  VIIRS  and  CrIS.  

²  Daily  mean  differences  are  <0.1K,  with  very  small  changes  (~15mK)  over  the  past  11  months.  

²  The  comparisons  show  a  clear  dependence  on  scene  BT  for  M15,  with  VIIRS  cooler  than  CrIS  by  ~0.4K  at  205K.    Root  cause(s)  is  under  inves.ga.on.  

²  The  comparisons  show  very  similar  behavior  among  CrIS  FOVs,  including  the  dependence  on  scene  temperature  contribu.ng  to  the  characteriza.on  of  the  CrIS  radiometric  nonlinearity  correc.on  uncertainty.  

²  The  comparisons  show  li_le  dependence  on  orbit  phase,  contribu.ng  to  characteriza.on  of  the  CrIS  ICT  environmental  model  uncertainty.  

²  The  mean  agreement  between  CrIS  and  VIIRS  improves  further  when  the  VIIRS  OBC  is  cooled  during  quarterly  linearity  characteriza.on  tests,  with  poten.al  implica.ons  for  small  refinements  to  the  VIIRS  OBC  emissivity  and/or  instrument  temperatures.  

²  The  comparisons  show  li_le  dependence  on  scan  angle.  14  

200

220

240

260

280

300

BT

(K)

LW FOV 5

700 800 900 1000 1100

−0.2

−0.1

0

0.1

0.2

wavenumber

3−si

gma

RU

(K)

MW FOV 9

1200 1400 1600wavenumber

SW FOV 5

2200 2300 2400 2500wavenumber

CrIS  In-­‐Flight  Radiometric  Uncertainty  (RU)  Es;mates  for  a  typical  ~clear  sky  scene  

Longwave   Midwave   Shortwave  

3σ  uncertainBes:  a2  (30%LW,  15%MW)  ICT  Temp  (112.5  mK)  ICT  emis  (0.03)  ICT  Refl  Tmod  (6K)  ICT  Refl  Tmeas  (1.5K)  RSS/Total  RU  

*  Not  including  Shortwave  cold  scene  and  Gibbs  ringing  ar.facts  

200 220 240 260 280 300−1

−0.5

0

0.5

1

BT (K)

CrIS

− IA

SI (K

)

835 cm−1

CrIS (K)

AIR

S −

CrIS

(K)

180 200 220 240 260 280 300 320−1

−0.5

0

0.5

1

coun

t

1

2

7

20

54

150

400

Scene Temperature Dependence, cont.

AIRS  –  CrIS  SNOs  @  835  cm-­‐1  AIRS  –  IASI  SNOs  @  900  cm-­‐1  

CrIS  –  IASI  SNOs  @  900  cm-­‐1  

•  Mar  28  –  Oct  16,  2012  VIIRS-­‐IASI  SNOs  (RAD-­‐12B  data  set).    •  Compare  full  RSR  spectral  radiance  to  in-­‐band  only  spectral  

radiance  for  M12–M16,  I4,  I5.  •  Filter  on  VIIRS  uniformity  (>  400  matchups  aoer  filtering).  •  OOB  impact  small  in  all  bands  (<0.1K).  •  M13  impact  peak  at  very  cold  scenes;  M15  also  has  scene  

temperature  dependence.  

M13  (4.05um)   M15  (10.8um)  

17  

M12  (3.70um)  

M14  (8.55um)  

M16  (12.0um)  I4  (3.74um)   I5  (11.5um)  

OOB  Impact  on  VIIRS  TEB  

UWisc,  2012-­‐10-­‐24  

OOB  influence  is  small  in  all  bands  (but  not  zero)  

Ø  As  the  VIIRS  OBC  temperature  approaches  the  instrument  temperature,  the  VIIRS  calibra.on  becomes  less  sensi.ve  to  knowledge  of  the  OBC  emissivity  and  to  knowledge  of  the  instrument  temperatures,  and  also  changes  the  nonlinearity  “set  point”;  Changes  to  the  CrIS/VIIRS  comparisons  during  this  test  implies  that  small  improvements  to  the  VIIRS  calibra.on  parameters  are  possible.  

Ø  For  warm  scenes,  cooling  the  OBC  temperature  causes  (1)  M13  biases  to  converge  with  those  of  M15  and  M16,  as  well  as  (2)  be_er  overall  agreement  with  CrIS.  

18