Steve Platnick1, Gala Wind2,1, Zhibo Zhang3, Hyoun-Myoung Cho3,
G. T. Arnold2,1, Michael D. King4 , Steve Ackerman5, Brent Maddux5
11NASA Goddard Space Flight Center,
232SSAI, 3U. of Maryland Baltimore County,
454U. Colorado/LASP, 5U. Wisconsin, Madison
AGU Fall Meeting
A44B
6 Dec 2012
San Francisco, CA
Sensitivity of Marine Warm Cloud RetrievalStatistics to Algorithm Choices: Examples fromMODIS Collection 6 Development Code
What is a Cloud: The Pixel-Level Choices AlgorithmDeveloper’s Make
-Explicit (partly cloudy pixel filtering by the developer)
-Implicit (filtering invoked by retrieval failures)
Sensitivity of Cloud Optical Property Retrievals to Choices
Sampling fraction, τre
Outline
austasia_modis_1km_airb_preview.jpg
Cloud
Cloud
Clear
Clear
What Do We Mean by a Cloud Mask?
Ideal pixel
Clear
Clear
What Do We Mean by a Cloud Mask?
Cloud
Cloud
Clear
Clear
Clear
Clear
Overcast
Wide upward diagonal
Clear Sky
Small confetti
Partly Cloudy
Cloud
Cloud
Clear
Clear
Clear
Clear
Satellite
Cloud Mask
(likelihood of
“Not Clear”)
What Do We Mean by a Cloud Mask?
MODIS Cloud Pixel Filtering Choices: Explicit & Implicit
Masked as
Clear &
Not Clear
Total Number
of Pixels
(1 km)
=
   Developer Choices
Retrieve edge/250m partly cloudy pixels?
Provide a τ-only retrieval when multispectral retrievals fail?
Not Clear Categories:
Overcast (?)
Cloud Edge
250m “hole”
Possibly heavy
   smoke/dust, glint?
Explicit filtering
Retrieval Outcomes:
Successful τ & re
No τ or re possible
τ only (ignore respectral information)?
Implicit filtering
small_image.a2005091.1810.005_L1B_rgb_c6.jpg
Cloud Pixel Filtering/QA Choices: C5 Granule Example
1 April 2005, MODIS Aqua
crefl2_721-1.A2005091181000-2005091181501.500m.jpg
MODIS 250/500 m composite
Cloud Pixel Filtering/QA Choices: C5 Granule Example
1 April 2005, MODIS Aqua
small_image.b2005091.1810.006_M06QA_CSRqa_c6.jpg
Clear Sky Restoral Flags
cloud
edges
250m
partly
cloudy
pixels
spatial/spectraltests (glint,dust, smoke)
MODIS 250m Heterogeneity
global analysis, low maritime water clouds
histogram_SPI_with_clear_sky_restoral.eps
Pixel Counts
1.0
0.01
0.1
1km cloud
edges
250m
partly cloudy
1km cloud edge &
250m partly cloud
removed
3D artifacts
more likely
AGU Fig 2 (COT re - succ only) Terra 2.1.pdf
Pixel Filtering: Retrieval Outcome
Terra MODIS April 2005, maritime water clouds
CTP ≥ 680mb, ±30° latitude
Successful COT re
COT
r(2.1 µm)
AGU Fig 3 (COT re successful only) Terra 2.1-3.7.pdf
Successful COT re
COT
re2.1 – re3.7
Pixel Filtering: Retrieval Outcome
Terra MODIS April 2005, maritime water clouds
CTP ≥ 680mb, ±30° latitude
Retrievals consistent w/breakdown of 1D forward model
44% of cloudy pixels are associated w/edges or designated as partlycloudy by the 250m cloud mask
40% of edge/partly cloudy pixel retrievals fail (simultaneous COTand re solution fall outside LUT space)
AGU Fig 1 (fractions) Terra.pdf
Successful COT & re
Failure (minor)
Failure (major)
Pixel Filtering: Sampling Statistics
Terra MODIS April 2005, maritime water clouds
CTP ≥ 680mb, ±30° latitude
Pixel Filtering: Retrieval Outcome
SEVIRI, 15 min imagery, 11 August 2009, maritime water clouds
CTP ≥ 680mb, ±30° latitude, ±55° VZA
AGU Fig 2 (COT re) SEVIRI 1.6 15min slots 2.pdf
Successful COT re
COT
r(1.6 µm)
Successful COT & re
Failure
Fraction of Population (%)
AGU Fig 1 (fractions) SEVIRI 15min slots 2.png
20% of cloudy pixels are associated w/edges, 68% of those retrievals fail
Terra_Apr2005_L3_cot_cer_mean_qa-mean.png
Pixel Filtering/QA Choices: Global Mean Sensitivity
Cloud Retrieval Difference: with edge/250m filtering – w/out
τ
re,2.1
τ=±4
re,2.1=±2 µm
April 2005, MODIS Terra
Summary (1)
Tropical/subtropical marine warm cloud partly-cloudy retrievals(edge pixels and those identified by 250m observations) arebiased w.r.t. the filtered pixel population.
Biases are consistent w/breakdown of 1D cloud model.
-Retrievals will not correctly describe interaction of the cloudwith the radiation field, microphysics, or derived water path.
Frequency of these pixels depends on the spatial scales of thesatellite observations and the clouds.
MODIS Cloud Product
Collection 5: These pixels were removed/filtered (“Clear SkyRestoral” algorithm).
Collection 6: Will attempt retrievals on these pixels. Allow usersto explore the consequences of the partly cloudy categories.Regardless, a significant fraction of such retrievals “fail” for thelatitude zone studied.
All algorithms do consider the suitability of a pixel/FOV for use withthe forward model – either explicitly or implicitly.
Spatial heterogeneity and related sampling issues ARE NOTunique to the MODIS product.
Other satellite sensors have similar issues and consequentlyinherent sampling biases for low marine clouds, e.g., CloudSat[Zhang et al., A33G], microwave imagers, etc.
-How to communicate to this to the variety of users is achallenge.
Summary (2)