In het kader van het ESA Climate Change Initiative (CCI) voeren internationale teams van wetenschappers onderzoek uit ten behoeve van de productie van 21 Essentiële Klimaat Variabelen (EKV's). Dit zijn belangrijke indicatoren die het veranderende klimaat op aarde beschrijven en zijn gedefinieerd door het Global Climate Observing System. De 21 EKV's die door de teams van het CCI worden geproduceerd, zijn voornamelijk uit satelliet gegevens afgeleid. Ze worden gevalideerd aan de hand van onafhankelijke datasets, hebben een hoge mate van traceerbaarheid en consistentie, en bevatten kwantitatieve schattingen van de onzekerheid.

Proces van remote sensing

Satelliet sensoren detecteren straling die door de aarde wordt gereflecteerd of uitgezonden: vanuit de atmosfeer, het land, de oceaan en het ijsoppervlak. Sensoren die passief de door de aarde uitgezonden of gereflecteerde straling verzamelen - meestal is de oorsprong van de straling de zon - worden passieve sensoren genoemd. Detectoren zijn ontworpen om straling in specifieke frequentiebanden te meten.

Zo is koolstofdioxide (CO2) een broeikasgas dat de zonnestraling in specifieke banden absorbeert. De gemeten absorptie binnen deze frequentiebanden kan worden gebruikt om de concentratie CO2 in de atmosfeer te bepalen. De impact van andere atmosferische bestanddelen (zoals waterdamp, wolken, aerosolen, ozon) worden sinds 2003 meegenomen in algoritmen die door CCI-wetenschappers zijn ontwikkeld om wereldwijde kaarten van koolstofdioxide te maken en de niveaus ervan te monitoren.

Soorten sensoren op aardobservatiesatellieten. Sensoren zijn vaak gebaseerd op straling: het detecteren van energie die wordt gereflecteerd/uitgezonden vanaf het aardoppervlak. Enkele satellieten meten zwaartekrachtvariaties van de aarde.

Sensoren met een eigen verlichtingsbron worden actieve sensoren genoemd. Ze zenden stralingspulsen uit en meten de terugkaatsing van de aarde en terug naar de sensor.

Zonnestraling, bandbreedte en de bijbehorende golflengten en bandnamen.

Zo stuurt een hoogtemeter een elektromagnetisch signaal (in het microgolf deel van het spectrum) naar het zeeoppervlak en registreert de tijd die verstrijkt voordat de gereflecteerde echo wordt gedetecteerd. Met zowel de snelheid van het licht als de tijd die verstrijkt, kan de afstand boven het zeeoppervlak tot de antenne van de sensor worden bepaald. Met aanvullende informatie over de baan van de satelliet en de geoïde van de aarde kunnen CCI-wetenschappers het zeeniveau tot op de millimeter nauwkeurig berekenen en een wereldwijd reeks metingen van 25 jaar van de variatie ervan produceren.

Gegevens van klimaat-kwaliteit

De CCI-EKV's zijn bestanden over het klimaat van hoge kwaliteit, die betrekking hebben op de geschiktheid ervan voor klimaatonderzoek. Klimaatonderzoek omvat het bestuderen van subtiele klimaat-gerelateerde signalen die gedurende tientallen jaren voorkomen en ingebed zijn in een rumoerige achtergrond van korte termijn variaties die worden aangedreven door het weer en andere processen van het aardsysteem. Dit achtergrondsignaal kan een dynamisch bereik hebben dat tot tienduizend keer groter is dan een onderliggende trendmatige verandering.

Datasets van het klimaat, de zogenaamde Climate Data Records (CDR's), moeten daarom voldoende lengte en stabiliteit hebben voor klimaat toepassingen en informatie bevatten om de gebruikers te helpen beslissen of de gegevens geschikt zijn voor het beoogde gebruik.

Om de gebruikers te helpen, hebben de internationale coördinatie organen zes kwaliteitsindicatoren voor satelliet (CDR's) ontwikkeld (Nightingale, J. et al. , 2018). De gegevensbestanden moeten "metadata" bevatten over de basis attributen van de gegevens en de sensor bron, in de documentatie moet op transparante wijze worden beschreven hoe de gegevens worden geproduceerd, hoe goed de dataset voldoet aan de overeengekomen eisen voor klimaat toepassingen (bijvoorbeeld de eisen van het Global Climate Observing System voor EKV's), en hoe goed de gegevens zich verhouden tot onafhankelijke datasets, de gegevens moeten op pixelniveau aangeven hoe betrouwbaar de metingen zijn via "kwaliteitsvlaggen", en er moeten traceerbare schattingen over de onzekerheid worden verstrekt.

Wat bedoelen we met fout en onzekerheid?

Onzekerheid beschrijft de twijfel die we hebben over een gemeten waarde. Het stelt gebruikers in staat om de betekenis van hun resultaten te bepalen en is belangrijk voor alle toepassingen van CDR's, van klimaatmodellering, tot klimaatonderzoek, tot klimaatdiensten en besluitvorming. Onzekerheid dient pixel voor pixel te worden gekarakteriseerd en is een cruciaal onderdeel van een CDR. Maar onzekerheid wordt vaak verward met de term 'nauwkeurigheid'.

De nauwkeurigheid in een meting heeft betrekking op het verschil tussen de gemeten waarde en de 'echte waarde' in de natuur. Verschillende effecten dragen bij aan de onjuistheid van een meting, maar het is onmogelijk om de meetfout te kennen (anders zouden we die corrigeren). In plaats daarvan moeten we de onzekerheid van een meting schatten, die wordt bepaald door de spreiding van de meetwaarden (Merchant, C. et al., 2017).

Bij satelliet-gebaseerde CDR's ontstaan bij elke stap van het productieproces onzekerheden: door sensor onvolkomenheden; de effecten van de absorptie en verstrooiing van het signaal door de atmosfeer die niet perfect 'gecorrigeerd' kunnen worden; tijdens het opvragen - wanneer de geofysische variabelen worden berekend - en tijdens gridding en interpolatie - wanneer tijdreeksen op globale schaal worden geproduceerd. Met de onzekerheid die in een vroeg stadium van het proces ontstaat, moet rekening worden gehouden in alle opeenvolgende fasen in de verwerking.

Kalibratie en validatie

ESA-wetenschappers voeren regelmatig evaluaties uit van de nauwkeurigheid van satellietdata producten. De afgeleide EKV's worden vergeleken met onafhankelijke veldmetingen en modelsimulaties. Deze vergelijkingen hebben twee doelen: (i) het aanpassen van de gegevenswaarden om eventuele systematische vertekeningen te verwijderen, en (ii) het schatten van de kwaliteit van de afgeleide EKV's (dit wordt validatie genoemd), wat zowel voor de klimaatwetenschap als voor de model gemeenschappen noodzakelijk is. Validatie gaat in op de vraag: hoe goed is deze dataset? Het gaat erom de waarden op pixelniveau te vergelijken met betrouwbare in-situ veldmetingen uit de hele wereld. Er zijn nu geavanceerde statistische methoden voor het schatten van de nauwkeurigheid en het omgaan met schalingsfouten. Als gegevens-producent levert ESA grote inspanningen om het valideringsproces te helpen standaardiseren, waarbij het nauw samenwerkt met GCOS en het Comité voor aardobservatiesatellieten (CEOS) om protocollen voor goede praktijken op te stellen.

Kalibratie is het proces waarbij de reactie van een sensor op bekend en gecontroleerd signaal input kwantitatief wordt gedefinieerd. Bij passieve technieken voor aardobservatie wordt de kalibratie uitgevoerd op het satellietplatform zelf. Tijdens het proces van het meten van de oppervlakte-temperatuur bijvoorbeeld, komt de infrarode straling van de aarde aan bij een sensor. Via optiek in het instrument wordt de straling gefilterd en afgebeeld op een sensor die uiteindelijk een digitaal getal geeft. Dit proces wordt gekalibreerd met een referentie van bekende temperatuur, zogenoemde zwarte lichamen, die straling uitzenden met een specifiek spectrum met een temperatuur-afhankelijke piek golflengte. Daarom maakt de kalibratie het mogelijk om metingen om te zetten in een helderheid-temperatuurmeting.

Kalibratie en validatie zijn belangrijke onderdelen bij de productie van hoogwaardige- en betrouwbare datasets.

Alle CCI EKV-datasets zijn volledig gevalideerd en hebben een hoge mate van traceerbaarheid en consistentie, met inbegrip van kwantitatieve schattingen van de onzekerheid die zowel door de klimaatwetenschap als door de modelleer-gemeenschappen worden vereist.