Strahlung an der Erdoberfläche - Deutscher Wetterdienst
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RCC Node-CM Produktbeschreibung
Version 2.4 (September 2021)
Strahlung an der Erdoberfläche
1. Einleitung
Die Strahlungsbilanz am Erdboden bietet eine Abschätzung der Differenz zwischen
der einfallenden kurzwelligen Strahlung von der Sonne sowie der von der
Atmosphäre emittierten langwelligen Strahlung und der reflektierten kurzwelligen
Strahlung und der abgestrahlten langwelligen (Wärme)Strahlung der Erdober-
fläche.
Die bodennahe Strahlung ist eine der von GCOS definierten wichtigen Klima-
variablen (Essential Climate Variables, ECVs). Die Beobachtung der kurz- und
langwelligen Strahlungsflüsse ist von großer Bedeutung sowohl für das Verständnis
des Klimasystems als auch für die Detektion globaler und regionaler Änderungen.
Die RCC-CM Produkte decken die folgenden Komponenten der bodennahen solaren
Strahlungsbilanz ab:
1. Globalstrahlung (Surface Incoming Shortwave Radiation, SIS)
2. Direkte Strahlung (Surface Incoming Direct Radiation, SID)
3. Albedo (Surface Albedo, SAL)
2. Produkte
Die RCC-CM Strahlungsprodukte werden auf Grundlage der vom CM SAF1
(EUMETSAT Satellite Application Facility on Climate Monitoring) bereitgestellten
satellitenbasierten Klimadatensätze erzeugt. Dabei sind die folgenden Kategorien
von Klimadatensätzen zu unterscheiden (siehe Abb. 1):
• Fundamental Climate Data Records (FCDR)
Dabei handelt es sich um lange Satellitendatensätze, die eine Reihe von
Instrumenten mit potenziell wechselnden Messansätzen umfassen. Da sich
die von den verschiedenen Instrumenten abgedeckten Zeitabschnitte
überschneiden und die Instrumente ausreichend kalibriert sind, ermöglicht
dies die Erzeugung homogener Produkte, die genau und stabil genug sind,
um für die Anwendung in der Klimaüberwachung geeignet zu sein.
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EUMETSAT Satellite Application Facility on Climate Monitoring (www.cmsaf.eu)
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• Thematic Climate Data Records (TCDR)
Dies sind aus den FCDRs abgeleitete geophysikalische Variablen, die oft
auch unter Nutzung von zusätzlichen Daten, u.a. von Reanalysen, erzeugt
werden.
• Interim Climate Data Records (ICDR)
Diese bezeichnen Erweiterungen von TCDRs mit kürzerer Latenzzeit und mit
Algorithmen und Verarbeitungssystemen, die so konsistent wie möglich mit
der Erzeugung der Referenz-TCDRs sind.
• Environmental Data Records (EDR)
Dies sind mit Zeitstempel versehene geophysikalische Parameter, die aus
den Sensordaten abgeleitet werden. EDRs werden mit niedriger bis mittlerer
Latenzzeit erstellt und erfüllen nicht die strengen Anforderungen von
Klimaanwendungen.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Eigenschaften der einzelnen Klimadatensätze. Quelle: CM
SAF, https://www.cmsaf.eu/EN/Products/WUI/Data_Access_Working_CMSAF_Data.html, zuletzt
abgerufen am 30.09.2021
Die RCC-CM Strahlungsprodukte lassen sich in zwei Kategorien unterteilen:
1) operationelle Klimaüberwachung mit nahezu Echtzeit-Produkten:
a) Mittel
b) Anomalien (absolute, relative, standardisierte)
c) Perzentile
d) Jahresgang
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Für die Albedo liegen derzeit nur das Mittel, absolute und relative Anomalien
vor.
2) Klimainformationsprodukte basierend auf langen Klimadatenreihen (mit
ausreichender Genauigkeit, Homogenität und Stabilität)
a) Referenzklimatologien
b) Standardabweichungen
c) Trendkarten
d) Zeitreihen
Abb. 2: Monatliches Mittel der Globalstrahlung Abb. 3: Absolute Anomalie der Global-
(SIS) strahlung
Abb. 4: Monatliches Mittel der direkten Abb. 5: Absolute Anomalie der direkten
Strahlung (SID) Strahlung
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Abb. 6: Monatliches Mittel der Oberflächen- Abb. 7: Absolute Anomalie der Oberflächen-
albedo (SAL) albedo
Abb. 8: Jahresgang der direkten Strahlung Abb. 9: Zeitreihe der direkten Strahlung
3. Spezifikationen
• geographische Regionen: Europa (30°-80°N, 60°W-60°E), Nordeuropa
(25°W-40°E, 55°-70°N), Mitteleuropa (15°W-25°E, 45°-60°N),
Mittelmeerraum (10°W-40°E,30°-45°N), Osteuropa (15°-45°E, 40°-60°N)
Die Koordinaten beziehen sich auf Unterregionen bei den Zeitreihen und beim
Jahresgang. Die Abdeckung der Karten weicht geringfügig ab. Bei einigen
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Satellitenprodukten wird wegen der Datenverfügbarkeit oder zu großen
Unsicherheiten nur ein Teil des Ausschnitts abgedeckt, vor allem fehlen Daten in
den polaren Breiten.
• räumliche Auflösung: SIS, SID: 0,05°x0,05°; SAL: 0.1°x0.1° (Karten),
0.25°x0.25° (Rasterdaten)
• zeitliche Auflösung: SIS, SID: monatlich, jahreszeitlich, jährlich; SAL:
monatlich
• Projektion: rotierte Länge und Breite (Karten), reguläre Länge und Breite
(Rasterdaten)
• Verfügbarkeit:
o operationelle Produkte: SIS: seit 01/2006, SID: seit 01/2011, SAL:
seit 01/2009
o Referenzklimatologie, Standardabweichung:
- SIS, SID:
▪ 1983-2005, aus TCDR CM SAF Surface Radiation MVIRI
Data Set 1.0
▪ 1991-2020, vorläufig kombiniert aus TCDR SARAH-2.1
(01/1991-12/2017) und ICDR SEVIRI Radiation
(01/2018-12/2020)
- SAL:
▪ 1982-2009, aus TCDR CLARA-A1
▪ 1991-2020, vorläufig kombiniert aus TCDR CLARA-A2.1
(01/1991-06/2019) und ICDR AVHRR (07/2019-
12/2020)
o Zeitreihen:
- SIS, SID: 1983-2020, vorläufig kombiniert aus TCDR
SARAH-2.1 (01/1983-12/2017) und ICDR SEVIRI Radiation
(01/2018-12/2020)
- SAL: 1982-2020, vorläufig kombiniert aus TCDR CLARA-A2.1
(01/1982-06/2019) und ICDR AVHRR (07/2019-12/2020)
o Trendkarten:
- SIS, SID: 1983-2020, vorläufig kombiniert aus TCDR
SARAH-2.1 (01/1983-12/2017) und ICDR SEVIRI Radiation
(01/2018-12/2020)
- SAL: 1982-2020, vorläufig kombiniert aus TCDR CLARA-A2.1
(01/1982-06/2019) und ICDR AVHRR (07/2019-12/2020)
• Aktualisierung: ~5.-10. Tag des Folgemonats (für operationelle
Produkte)
• Format: png (Karten und Statistiken), NetCDF (Rasterdaten)
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• Einheiten: SIS, SID: Wm-2; SAL: %
4. Datenquellen
• Near-Real-Time:
o SIS, SID: SEVIRI auf METEOSAT, SIS (seit 01/2006), SID (seit
01/2009)
▪ bis 12/2017: EDR, basierend auf SARAH-1 Methoden
▪ seit 01/2018: ICDR SEVIRI Radiation, basierend auf SARAH-2
Methoden
o SAL: AVHRR auf polarumlaufenden Satelliten
▪ 01/2009-12/2020: EDR, basierend auf CLARA-A1 Methoden
▪ seit 01/2021: ICDR AVHRR, basierend auf CLARA-A2
Methoden
• Climate Data Record:
o MVIRI/SEVIRI auf METEOSAT, CM SAF SIS, SID:
▪ TCDR CM SAF Surface Radiation MVIRI Data Set 1.0, 1983-
2005
▪ TCDR SARAH-2.1, 01/1983-12/2017 vorläufig kombiniert mit
ICDR SEVIRI Radiation 01/2018-12/2020
o AVHRR auf polarumlaufenden Satelliten GAC (global area coverage)
CM SAF SAL:
▪ TCDR CLARA-A1, 1982-2009
▪ TCDR CLARA-A2.1, 01/1982-06/2019 vorläufig kombiniert mit
ICDR AVHRR 07/2019-12/2020
5. Methodik
Die Gewinnung der aktuellen CM SAF-Daten ist in den CM SAF Algorithm
Theoretical Basis Documents für SIS, SID und SAL beschrieben. Weitere
Dokumente zu den älteren Datensätzen sind ebenfalls in der CM SAF
Documentation zu finden.
Die CM SAF-Produkte werden in ein 0,05°x0,05° (für SIS und SID) bzw.
0,25°x0,25° (für SAL) Längengrad-Breitengrad-Gitter transformiert. Jahreszeit-
liche und jährliche Mittelwerte und Referenzklimatologien werden durch Mittelung
der monatlichen Mittelwerte berechnet.
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Anomalien werden berechnet als
1. absolute Anomalien (absolute Abweichungen vom vieljährigen Mittelwert)
2. relative Anomalien (Verhältnis zum vieljährigen Mittelwert in Prozent)
3. standardisierte Anomalien (absolute Abweichungen in Vielfachen der
Standardabweichung)
4. Perzentile (unter oder über dem unteren bzw. oberen Terzil/Dezil der
Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Klimaelements)
Diagramme des Jahresganges zeigen den Mittelwert des laufenden Jahres im
Vergleich zur Referenzklimatologie (vieljähriges Mittel, Standardabweichung, 10.
und 90. Perzentil). Die Darstellung der vieljährigen Zeitreihe beinhaltet die
Monatsmittelwerte, 3-jährig übergreifende Mittel, den linearen Trend sowie die
Abweichung vom vieljährigen Mittelwert.
6. Qualität und Nutzung
Die operationellen Produkte werden für Klimamonitoringzwecke erstellt, d.h. für
die großräumige klimatologische Interpretation. Die Klimainformationsprodukte
werden für SIS und SID vom vieljährigen MVIRI/SEVIRI Climate Data Record, für
SAL vom vieljährigen AVHRR GAC Climate Data Record abgeleitet. Diese weisen
im Allgemeinen eine höhere Genauigkeit und Stabilität für eine Analyse der
Klimavariabilität und Klimaänderung auf als die entsprechenden operationellen
Produkte.
Die Genauigkeit der Near-Real-Time CM SAF-Daten für SIS und SID wird für
Monatsmittelwerte mit 90% der absoluten Abweichungen unter 10 W/m²
verglichen mit in situ Daten angegeben (+Unsicherheit der bodengestützten
Messungen). Höhere Abweichungen kommen in den Alpen und anderen
Gebirgsregionen vor, z.B. weil Flächen- mit Punktmessungen verglichen werden.
(siehe CM SAF Service Specification). Für SAL wird eine relative Genauigkeit mit
25% angegeben, wobei in Wüstengebieten auch höhere Abweichungen zu
erwarten sind. Die Qualität der CM SAF Eingabedaten wird regelmäßig in den
Validation Reports dokumentiert. Einschränkungen für die Nutzung von CM SAF-
Daten sind in den CM SAF Product User Manuals beschrieben:
Near-Real-Time Product:
• SIS, SID: Surface Radiation Products, Version 2.5 (März 2015) und
ICDR SEVIRI Radiation based on SARAH-2 methods, Version 1.3
(Oktober 2018)
• SAL: Surface Broadband Albedo AVHRR / SEVIRI, Version 2.4 (März
2015) und ICDR AVHRR - based on CLARA-A2 methods: Surface
Albedo, Version 2.1 (Januar 2021)
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Climate Data Record:
• SIS, SID: Meteosat (MVIRI) Solar Surface Irradiance and effective
Cloud Albedo Climate Data Sets, Version 1.4 (März 2013) und
Meteosat Solar Surface Irradiance and effective Cloud Albedo Climate
Data records SARAH 2, Version 2.1 (Januar 2017)
• SAL: CM SAF Cloud, Albedo, Radiation dataset, AVHRR-based,
Edition 1 (CLARA-A1) Surface Albedo, Version 1.2 (Juni 2012) und
CM SAF Cloud, Albedo, Radiation data record, AVHRR-based,
Edition 2.1 (CLARA-A2.1) Surface Albedo, Version 2.3 (Februar 2020)
Die Trendkarten wurden jeweils für den kompletten Zeitraum der Datenreihe
berechnet, bei SIS und SID für den Zeitraum 1983-2020, bei SAL für 1982-2020.
7. Literatur
Karlsson, Karl-Göran; Riihelä, Aku; Müller, Richard; Meirink, Jan Fokke; Sedlar,
Joseph; Stengel, Martin; Lockhoff, Maarit; Trentmann, Jörg; Kaspar, Frank;
Hollmann, Rainer; Wolters, Erwin (2012): CLARA-A1: CM SAF cLouds, Albedo and
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https://doi.org/10.5676/EUM_SAF_CM/CLARA_AVHRR/V001
Karlsson, Karl-Göran; Anttila, Kati; Trentmann, Jörg; Stengel, Martin; Solodovnik,
Irina; Meirink, Jan Fokke; Devasthale, Abhay; Kothe, Steffen; Jääskeläinen,
Emmihenna; Sedlar, Joseph; Benas, Nikos; van Zadelhoff, Gerd-Jan; Stein, Diana;
Finkensieper, Stephan; Håkansson, Nina; Hollmann, Rainer; Kaiser, Johannes;
Werscheck, Martin (2020): CLARA-A2.1: CM SAF cLoud, Albedo and surface
RAdiation dataset from AVHRR data - Edition 2.1, Satellite Application Facility on
Climate Monitoring, DOI:10.5676/EUM_SAF_CM/CLARA_AVHRR/V002_01,
https://doi.org/10.5676/EUM_SAF_CM/CLARA_AVHRR/V002_01
Karlsson, Karl-Göran; Riihelä, Aku; Trentmann, Jörg; Stengel, Martin; Meirink, Jan
Fokke; Solodovnik, Irina; Devasthale, Abhay; Manninen, Terhikki; Jääskeläinen,
Emmihenna; Anttila, Kati; Kallio-Myers, Vilvi; Benas, Nikos; Selbach, Nathalie;
Stein, Diana; Kaiser, Johannes; Hollmann, Rainer (2021): ICDR AVHRR - based on
CLARA-A2 methods, Satellite Application Facility on Climate Monitoring,
https://wui.cmsaf.eu/safira/action/viewICDR[...]CLARA_AVHRR_V0 02_ICDR
Pfeifroth, Uwe; Kothe, Steffen; Trentmann, Jörg; Hollmann, Rainer; Fuchs, Petra;
Kaiser, Johannes; Werscheck, Martin (2019): Surface Radiation Data Set - Heliosat
(SARAH) - Edition 2.1, Satellite Application Facility on Climate Monitoring,
DOI:10.5676/EUM_SAF_CM/SARAH/V002_01,
https://doi.org/10.5676/EUM_SAF_CM/SARAH/V002_01
-8-RCC Node-CM Produktbeschreibung
Version 2.4 (September 2021)
Pfeifroth, Uwe; Sanchez-Lorenzo, Arturo; Manara, Veronica; Trentmann, Jörg;
Hollmann, Rainer (2018): Trends and variability of surface solar radiation in Europe
based on surface- and satellite-based data records. Journal of Geophysical
Research: Atmospheres, 123, 1735–1754,
https://doi.org/10.1002/2017JD027418
Pfeifroth, Uwe; Trentmann, Jörg; Hollmann, Rainer; Selbach, Nathalie; Werscheck,
Martin; Meirink, Jan Fokke (2018): ICDR SEVIRI Radiation - based on SARAH-2
methods, Satellite Application Facility on Climate Monitoring,
https://wui.cmsaf.eu/safira/action/viewICDR[...]SARAH_V002_ICDR
Posselt, Rebekka; Müller, Richard; Stöckli, Reto; Trentmann, Jörg (2011): CM SAF
Surface Radiation MVIRI Data Set 1.0 - Monthly Means / Daily Means / Hourly
Means, Satellite Application Facility on Climate Monitoring, DOI:10.5676/EUM_
SAF_CM/RAD_MVIRI/V001,
https://doi.org/10.5676/EUM_SAF_CM/RAD_MVIRI/V001
8. Änderungshistorie
Version Datum Beschreibung der Änderung
1.0 Jan 2009 Erste operationelle Version
2.0 Dez 2013 Nutzung CM SAF-Daten, neues Kartenlayout und
Erweiterung des Ausschnitts
2.1 Mai 2015 Deutsche Übersetzung
2.2 Okt 2015 Aktualisierung von Links
2.3 Mär 2020 Aktualisierung von Links
2.4 Sep 2021 Umstellung der Datenbasis auf ICDR
Umstellung des Referenzzeitraums auf 1991-2020
9. Kontakt
Deutscher Wetterdienst
RCC Node-CM (WMO RA VI)
Frankfurter Str. 135
63067 Offenbach
Deutschland
E-Mail: rcc.cm@dwd.de
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