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VADUGS: a neural network for the remote sensing of volcanic ash with MSG/SEVIRI trained with synthetic thermal satellite observations simulated with a radiative transfer model

Bugliaro Goggia, Luca und Piontek, Dennis und Kox, Stephan und Schmidl, Marius und Mayer, Bernhard und Müller, Richard und Vazquez-Navarro, Margarita und Peters, Daniel M. und Grainger, Roy G. und Gasteiger, Josef und Kar, Jayanta (2022) VADUGS: a neural network for the remote sensing of volcanic ash with MSG/SEVIRI trained with synthetic thermal satellite observations simulated with a radiative transfer model. Natural Hazards and Earth System Sciences (NHESS), 22 (3), Seiten 1029-1054. Copernicus Publications. doi: 10.5194/nhess-22-1029-2022. ISSN 1561-8633.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
10MB

Offizielle URL: https://nhess.copernicus.org/articles/22/1029/2022/

Kurzfassung

After the eruption of volcanoes around the world, monitoring of the dispersion of ash in the atmosphere is an important task for satellite remote sensing since ash represents a threat to air traffic. In this work we present a novel method, tailored for Eyjafjallajökull ash but applicable to other eruptions as well, that uses thermal observations of the SEVIRI imager aboard the geostationary Meteosat Second Generation satellite to detect ash clouds and determine their mass column concentration and top height during the day and night. This approach requires the compilation of an extensive data set of synthetic SEVIRI observations to train an artificial neural network. This is done by means of the RTSIM tool that combines atmospheric, surface and ash properties and runs automatically a large number of radiative transfer calculations for the entire SEVIRI disk. The resulting algorithm is called "VADUGS" (Volcanic Ash Detection Using Geostationary Satellites) and has been evaluated against independent radiative transfer simulations. VADUGS detects ash-contaminated pixels with a probability of detection of 0.84 and a false-alarm rate of 0.05. Ash column concentrations are provided by VADUGS with correlations up to 0.5, a scatter up to 0.6 g m-2 for concentrations smaller than 2.0 g m-2 and small overestimations in the range 5 %-50 % for moderate viewing angles 35-65°, but up to 300 % for satellite viewing zenith angles close to 90 or 0°. Ash top heights are mainly underestimated, with the smallest underestimation of -9 % for viewing zenith angles between 40 and 50°. Absolute errors are smaller than 70 % and with high correlation coefficients of up to 0.7 for ash clouds with high mass column concentrations. A comparison with spaceborne lidar observations by CALIPSO/CALIOP confirms these results: For six overpasses over the ash cloud from the Puyehue-Cordón Caulle volcano in June 2011, VADUGS shows similar features as the corresponding lidar data, with a correlation coefficient of 0.49 and an overestimation of ash column concentration by 55 %, although still in the range of uncertainty of CALIOP. A comparison with another ash algorithm shows that both retrievals provide plausible detection results, with VADUGS being able to detect ash further away from the Eyjafjallajökull volcano, but sometimes missing the thick ash clouds close to the vent. VADUGS is run operationally at the German Weather Service and this application is also presented.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/190357/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:VADUGS: a neural network for the remote sensing of volcanic ash with MSG/SEVIRI trained with synthetic thermal satellite observations simulated with a radiative transfer model
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Bugliaro Goggia, LucaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0003-4793-0101NICHT SPEZIFIZIERT
Piontek, DennisDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kox, StephanTelespazio, Darmstadt, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmidl, MariusMTU, Munich, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mayer, BernhardMIM & DLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, RichardDWD., Offenbach, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vazquez-Navarro, MargaritaEUMETSAT, Darmstadt, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Peters, Daniel M.RAL Space, Harwell, UKNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Grainger, Roy G.University of Oxford, Oxford U.K.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Gasteiger, JosefUniversity of Vienna, Vienna, AustriaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kar, JayantaNASA, LRC, Hampton, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Erschienen in:Natural Hazards and Earth System Sciences (NHESS)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:22
DOI:10.5194/nhess-22-1029-2022
Seitenbereich:Seiten 1029-1054
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1561-8633
Status:veröffentlicht
Stichwörter:volcanic ash, remote sensing
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Luftverkehr und Auswirkungen
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L AI - Luftverkehr und Auswirkungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Klima, Wetter und Umwelt
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Wolkenphysik
Hinterlegt von: Bugliaro Goggia, Dr.rer.nat. Luca
Hinterlegt am:23 Nov 2022 11:03
Letzte Änderung:23 Nov 2022 11:03

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