The impact of Aeolus wind observations in the tropics

Aeolus ist die erste Satellitenmission, bei der ein weltraumbasiertes Doppler Wind Lidar (DWL) zur Beobachtung von vertikalen Windprofilen auf globaler Ebene eingesetzt wird. Das Instrument kombiniert in einzigartiger Weise Rayleigh-clear (molekular) und Mie-cloudy (Aerosol) bei klarer und bewölkter Atmosphäre. Dies ist besonders in den Tropen wichtig, wo die große Datenlücke bei den Windmessungen im Global Observing System (GOS) das Numerical Weather Prediction (NWP) vor große Herausforderungen stellt. Durch die Schließung dieser Lücke bot Aeolus die einzigartige Möglichkeit, die Darstellung der tropischen Zirkulation in NWP-Modellen erheblich zu verbessern. ... mehr

Um zuverlässige Daten für NWP-Modelle zu gewährleisten, müssen die Fehlerquellen
in den Aeolus-Windproduktmessungen identifiziert und verstanden werden. Zu diesem Zweck wird die Qualität des Aeolus Level 2B (L2B)-Windprodukts über dem tropischen Atlantik mit Hilfe von Radiosonden bewertet, die im Rahmen des Joint Aeolus Tropical Atlantic Campaign (JATAC) im August-September 2021 von den Inseln Sal, Saint Croix und Puerto Rico gestartet wurden. Während dieses Zeitraums sammelte Aeolus Daten in einer komplexen Umgebung mit einer Vielzahl von Wolkentypen in der Nähe des Intertropical Convergence Zone (ITCZ) und Aerosolteilchen von Staubausbrüchen aus der Sahara. Die Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein von Wolken oder Staub die Qualität von Rayleigh-Clear-Messungen beeinträchtigen kann, wenn das useful signal erheblich reduziert wird, was zu einer Unterschätzung des Error Estimate (EE) führt. Allerdings machen grobe Ausreißer mit großen Abweichungen von der Radioson-
denreferenz, aber niedrigen EEs, weniger als 5% der Daten aus. Diese scheinen die Messungen in allen Höhen und unter allen atmosphärischen Bedingungen zu beeinflussen, und ihre Ursache bleibt unbekannt. Schließlich zeigen wir das Vorhandensein einer orbitalabhängigen Bias von bis zu 2.5 m/s, die sowohl mit Radiosonden als auch mit European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)-Modelläquivalenten beobachtet wurde.

Im Anschluss an die Qualitätsbewertung der Aeolus-Windmessungen werden die Auswirkungen des L2B-Datensatzes auf die ECMWF- und Deutscher Wetterdienst (DWD)-Analysen und Vorhersagen über dem anliegenden West African Monsoon (WAM) in den borealen Sommern 2019 und 2020 bewertet. Der WAM ist bekanntermaßen schwierig vorherzusagen und zeichnet sich durch markante und robuste großräumige Zirkulationsstrukturen wie den African Easterly Jet North (AEJ-North) und den Tropical Easterly Jet (TEJ) aus. Die Assimilierung von Aeolus verbessert im Allgemeinen die Vorhersage der zonalen Winde in beiden Vorhersagesystemen, insbesondere bei Vorhersageszeiten über 24 Stunden. Diese Verbesserungen hängen mit systematischen Unterschieden in der Darstellung der beiden Jets zusammen, wobei der AEJ-North an seiner südlichen Flanke in der westlichen Sahelzone in der ECMWF-Analyse geschwächt ist, während in der DWD-Analyse keine offensichtlichen systematischen Unterschiede zu erkennen sind. Darüber hinaus ist der TEJ-Zentrum in der ECMWF-Analyse geschwächt und in der DWD-Analyse an seinem südlichen Rand verstärkt. Die Regionen, in denen der Einfluss von Aeolus auf die Analyse am größten ist, entsprechen bei ECMWF der ITCZ-Region und bei DWD im Allgemeinen der oberen Troposphäre. Darüber hinaus bestätigen wir das Vorhandensein einer höhen- und orbitabhängigen Bias im Rayleigh-Clear-Kanal, wie sie bereits mit Radiosonden identifiziert wurde, über der gesamten WAM-Region, die dazu führt, dass die zonalen Winde am Morgen beschleunigt und am Abend verlangsamt werden. Die Anwendung einer temperaturabhängigen Biaskorrektur auf diesen Kanal trägt zu einer genaueren Darstellung des Tageszyklus und einer verbesserten Vorhersage der WAM-Winde bei.

Letztendlich werden die Auswirkungen von Aeolus auf großräumige tropische Phänomene wie Equatorial Waves (EWs) und die damit verbundenen Mechanismen, die zu den Verbesserungen beitragen, sowohl in ECMWF- als auch in DWD-Systemen untersucht. Genauer gesagt werden EWs in Analyse- und Vorhersagefeldern mit zwei sich ergänzenden Methoden isoliert, darunter eine Raum-Zeit-Spektralanalyse mit Fast Fourier Transform (FFT) und eine räumliche Projektionsmethode, die dynamische Felder auf theoretische Wellenmuster projiziert. Große Auswirkungen von Aeolus auf die in zonalen Windvorhersagen identifizierten EWs können für die meisten Wellen-typen, EWs-Identifizierungsmethoden und Vorhersagesysteme festgestellt werden. Die Verbesserungen in den oberen Ebenen sind ausgeprägter, während die Auswirkungen im DWD-System im Vergleich zum ECMWF-System deutlich größer sind. EWs, die in Niederschlagsfeldern isoliert sind, zeigen im DWD-System ebenfalls große positive Auswirkungen im Vergleich zu ECMWF. Im erstgenannten System scheint die positive Auswirkung auf Verbesserungen der zonalen Windvorhersagen über dem Pazifik während des El Niño-Southern Oscillation (ENSO)-Phasenwechsels von der neutralen zur La Niña-Phase zurückzuführen zu sein. Insbesondere in diesem Zeitraum werden in diesem beobachtungsarmen Gebiet relative Verbesserungen von mehr als 50 % erreicht. Aeolus verbessert die erste Schätzung des DWD-Modells um bis zu 5 m/s, was zu Verbesserungen der zonalen Windvorhersagen bis zu Vorhersageszeit von 96 Stunden führt. Diese Verbesserungen sind nicht auf wesentliche Änderungen der Temperatur zurückzuführen, sondern vielmehr auf eine bessere Darstellung der vertikalen Windscherung.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Aeolus-Mission ihre fünfjährige Mission im Weltraum abgeschlossen hat und die Erwartungen hinsichtlich der technologischen und wissenschaftlichen Leistungen übertroffen hat. Wir haben die positiven Auswirkungen von Aeolus aufgezeigt, insbesondere in der Upper Troposphere and Lower Stratosphere (UTLS) Region, wo klare Wettebedingungenund geringe Anzahl von Beobachtungen vorherrschen, wobei die Verbesserungen offenbar mit einer besseren Darstellung der vertikalen Windscherung zusammenhängen. Die Qualifizierung von Aeolus hat eine entscheidende Rolle bei den beobachteten Verbesserungen gespielt, obwohl weitere Verbesserungen erforderlich sind, um den Rayleigh-clear-Fehler besser zu charakterisieren, insbesondere in wolken- und aerosolbelasteten Regionen. Darüber hinaus kann die Behandlung der Fehlerzuweisung in NWP-Modellen ebenfalls zu Verbesserungen führen. Künftige Forschungsarbeiten sollten sich mit der zugrunde liegenden Beziehung zwischen Verbesserungen bei EWs und Niederschlagsvorhersagen sowie mit den Auswirkungen von Aeolus auf längeren Zeitskalen befassen. Der Erfolg von Aeolus hat die Entwicklung seines Nachfolgers, Aeolus-2, motiviert, der die weltraumgestützte Windbeobachtungstechnologie für meteorologische Anwendungen weiter verbessern soll.

Aeolus is the first satellite mission to use a space-based Doppler Wind Lidar (DWL) for observing vertical wind profiles on a global scale. The instrument uniquely combines Rayleigh-clear (molecular) and Mie-cloudy (aerosol) backscatter measurements in clear and cloudy atmospheric conditions. This is particularly important in the tropics, where the large gap in wind observations in the Global Observing System (GOS) has posed
significant challenges for Numerical Weather Prediction (NWP). By filling this gap, Aeolus offered a unique opportunity to significantly improve the representation of the tropical circulation in NWP models. ... mehr

To ensure reliable data for NWP models, the sources of error in the Aeolus wind product measurements must be identified and understood. To this end, the quality of Aeolus Level 2B (L2B) wind product is assessed over the tropical Atlantic using radiosondes launched from the islands of Sal, Saint Croix and Puerto Rico during August-September 2021 as part of the Joint Aeolus Tropical Atlantic Campaign (JATAC). During this period, Aeolus sampled within a complex environment with a variety of cloud types in the vicinity of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) and aerosol particles from Saharan dust outbreaks. The results show that the presence of clouds or dust can affect the quality of Rayleigh-clear measurements, when the useful signal is significantly reduced, thus leading to an underestimation of the Error Estimate (EE). However, gross outliers with large deviations from the radiosonde reference but low EEs account for less than 5% of the data. These seem to affect measurements at all altitudes and under all environmental conditions, and, their root-cause remains unknown. Finally, we show the presence of an orbital-dependent bias of up to 2.5 m/s observed with both radiosondes and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) model equivalents.

Subsequent to the quality assessment of the Aeolus wind measurements, the impact of the L2B dataset on the ECMWF and the Deutscher Wetterdienst (DWD) analyses and forecasts over the adjacent West African Monsoon (WAM) during boreal summers of 2019 and 2020 is assessed. The WAM is notoriously challenging to forecast and is characterized by prominent and robust large-scale circulation features such as the African Easterly Jet North (AEJ-North) and the Tropical Easterly Jet (TEJ). Assimilating Aeolus generally improves the prediction of zonal winds in both forecasting systems, especially for lead times above 24 hours. These improvements are related to systematic differences in the representation of the two jets, with the AEJ-North weakened at its southern flank in the western Sahel in the ECMWF analysis, while no obvious systematic differences are seen in the DWD analysis. In addition, the TEJ core is weakened in the ECMWF analysis and strengthened on its southern edge in the DWD analysis. The regions where the influence of Aeolus on the analysis is greatest correspond to the ITCZ region for ECMWF and generally the upper troposphere for DWD. In addition, we confirm the presence of an altitude and orbit dependent bias in the Rayleigh-clear channel, as already identified with radiosondes, over the entire WAM region, which causes the zonal winds to accelerate in the morning and slow down in the evening. Applying a temperature-dependant bias correction to this channel contributes to a better representation of the diurnal cycle and improved predictions of the WAM winds.

Ultimately, the NWP impact of Aeolus on large-scale tropical phenomena such as Equatorial Waves (EWs) and associated mechanisms contributing to the improvements are examined in both ECMWF and DWD systems. More specifically, EWs are isolated in analysis and forecast fields using two complementary methods. Large impacts of Aeolus on EWs identified in zonal wind forecasts can be found for most wave types, EWs identification methodologies and forecasting systems. Improvements in the upper levels are more pronounced, while the impact in the DWD system is significantly larger compared to the ECMWF system. EWs isolated in rainfall fields, also exhibit large positive impact in the DWD system compared to ECMWF. In the former, the positive impact appears to stem from improvements in zonal wind forecasts over the Pacific Ocean during the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phase change from neutral to La Niña phase. Especially during that period, relative improvements of more than 50 % are reached in this observation sparse area. Aeolus improves the DWD model first-guess by up to 5 m/s, which leads to improvements of zonal wind forecasts up to lead times of 96 hours. These improvements are not related to important changes in temperature, but rather to a better representation of vertical wind shear.

In conclusion, the Aeolus mission has now completed its 5 year mission in space, exceeding expectations with technological and scientific achievements. We demonstrated the positive impact of Aeolus, particularly in the Upper Troposphere and Lower Stratosphere (UTLS) region where clear skies and low observational availability predominate, with improvements seemingly related to better representation of vertical wind shear. The qualify of Aeolus has played a crucial role in the observed improvements, although further improvements are required to better characterizing the Rayleigh-clear error, particularly in cloud and aerosol-loaded regions. Moreover, addressing error assignment of the wind observations in NWP models can also lead to improvements. Future research should address the underlying relationship between improvements in EWs and precipitation forecasts, as well as the impact of Aeolus on longer time scales. The success of Aeolus has motivated the development of its successor, Aeolus-2, which aims to further improve space-based wind observation technology for meteorological applications.