home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NASA Climatology Interdisciplinary Data Collection / NASA Climatology Interdisciplinary Data Collection - Disc 2.iso / readmes / readme.smmr_mon < prev    next >
Text File  |  1998-04-24  |  43KB  |  963 lines

  1.                               [CIDC FTP Data]
  2.                        [SMMR Monsoon IDC Data on FTP]
  3.  
  4. Data Access
  5.  
  6.      SMMR Monsoon
  7.           Climate
  8.           Amplitudes and Phases
  9.  
  10.                                    [rule]
  11.  
  12. Readme Contents
  13.  
  14.      Data Set Overview
  15.           Sponsor
  16.           Original Archive
  17.           Future Updates
  18.  
  19.      The Data
  20.           Characteristics
  21.           Source
  22.  
  23.      The Files
  24.           Format
  25.           Name and Directory Information
  26.           Companion Software
  27.  
  28.      The Science
  29.           Theoretical Basis of Data
  30.           Processing Sequence and Algorithms
  31.           Scientific Potential of Data
  32.           Validation of Data
  33.  
  34.      Contacts
  35.           Points of Contact
  36.  
  37.      References
  38.  
  39.                                    [rule]
  40.  
  41. Data Set Overview
  42.  
  43.      This study presents a new climatology of monsoon rainfall over the
  44.      Indian and West Pacific Oceans. It uses a generalized version of
  45.      the Wisconsin scheme (Hinton et al., 1992) to retrieve rain rate
  46.      from the Pathfinder set of Nimbus-7 Scanning Multichannel
  47.      Microwave Radiometer (SMMR) brightness temperatures (Njuko et al.,
  48.      1995). The scheme yielded monthly rain rate for open-ocean boxes
  49.      one-degree in latitude by one degree in longitude from October
  50.      1978 through August 1987. There are a total of 104 data months
  51.      since April, May and June of 1986 are missing. These rain rates
  52.      were analyzed for structure, behavior and change. They also were
  53.      compared with rain rates measured by gauges for monsoon analysis.
  54.  
  55.      Sponsor
  56.      The preparation of this data set for distribution on the Goddard
  57.      DAAC Research Forum is funded by NASA's Earth Science enterprise.
  58.      The data are not copyrighted; however, we request that, when you
  59.      publish data or results using these data, please acknowledge as
  60.      follows:
  61.  
  62.           The authors wish to thank D. W. Martin, B. B. Hinton and
  63.           K. W. Bywaters (Space Science and Engineering Center,
  64.           University of Wisconsin-Madison) for the production of
  65.           this SMMR monsoon rainfall data set. They also thank the
  66.           Distributed Active Archive Center (Code 902.2) at the
  67.           Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, 20771, for
  68.           preparing these data in the present format and
  69.           distributing them. These activities were sponsored by
  70.           NASA's Earth Science enterprise.
  71.  
  72.      Original Archive
  73.      This data set was produced by D. W. Martin, B. B. Hinton and K. W.
  74.      Bywaters (Space Science and Engineering Center, University of
  75.      Wisconsin-Madison, 1225 West Dayton Street, Madison, WI 53706.
  76.      This was done under National Aeronautics and Space Administration
  77.      Grant NAGW-3641
  78.  
  79.      Future Updates
  80.      No future updates of this data are planned at this time.
  81.  
  82. The Data
  83.  
  84.      The monthly rain data set consists of 104 equal-sized files. Each
  85.      is 62,586 bytes, resulting in a total size just under 7.2 Mbytes.
  86.      Additionally there are 12 files consisting of multi-year means for
  87.      each month and 7 yearly means for each complete year in the
  88.      dataset plus a multi-year annual mean. In the case of incomplete
  89.      years, no annual file is given. In addition, a harmonic
  90.      decomposition was performed on the monthly mean rainfall data to
  91.      produce 4 additional files containing annual and semiannual
  92.      components. Thus there are 128 files in the complete Monsoon data
  93.      collection.
  94.  
  95.      Characteristics
  96.  
  97.         * Parameters, Units
  98.  
  99.                 Parameter         Range           Units
  100.  
  101.            monthly Rainfall     0. to
  102.            Rates                999.
  103.  
  104.                                 0. to      Micrometers per
  105.            Annual Amplitudes    355.       hour
  106.  
  107.            Semiannual           0. to
  108.            Amplitudes           131.
  109.  
  110.            Phase                0. to      radians
  111.                                 6.27
  112.  
  113.         * Temporal Coverage: October 1978-August 1987
  114.  
  115.         * Temporal Resolution: monthly, annual and 7-year means
  116.  
  117.         * Spatial Coverage: 30.5S to 30.5N degrees latitude and 29.5E
  118.           to 200.5E longitude
  119.  
  120.         * Spatial Resolution: 1 degree x 1 degree
  121.  
  122.      Source
  123.  
  124.      Nimbus-7 and the SMMR Instrument:
  125.  
  126.      The Nimbus-7 spacecraft was launched October 26, 1978, into a
  127.      Sun-synchronous polar orbit with local noon (ascending) and local
  128.      midnight (descending) equator crossings. The orbital period was
  129.      approximately 104 minutes and the equator crossings were separated
  130.      by 26.1 degrees in longitude. The SMMR instrument was forward
  131.      viewing and scanned 390 km to either side of the orbital track.
  132.      Because of limited spacecraft power, it was operated every other
  133.      day so that the entire globe was mapped twice every 6 days. SMMR
  134.      measured microwave radiation from Earth's surface and surrounding
  135.      atmosphere at five frequencies (6.6, 10.7, 18, 21, and 37 GHz) in
  136.      both horizontal and vertical polarizations. The band width at each
  137.      frequency is 250 MHz. A combination of oval instantaneous fields
  138.      of view (IFOVs) and the integration times of the radiometers
  139.      yields roughly circular beams spots with the following diameters:
  140.      6.6 GHz-148 km, 10.7 GHz-91 km, 18 GHz-55 km, 21 GHz-46 km, and 37
  141.      GHz-27 km. The antenna beam scan lies along a conical surface with
  142.      a 42 degree half angle so that the distance to the surface of
  143.      Earth is constant over the scan. The angle of incidence at Earth's
  144.      surface is approximately 50 degrees (Oakes et al., 1989). For
  145.      additional details concerning the SMMR instrument the reader is
  146.      referred to Gloersen and Barath (1977). In 1987, the SMMR showed
  147.      signs of instrument failure. From August 1987 until it was turned
  148.      off in July 1988, the SMMR operated in a nonscanning mode.
  149.  
  150.      The instrument was calibrated in flight by observing a hot and a
  151.      cold reference source. The radiometer outputs are converted to
  152.      antenna temperatures using the hot reference and the cold space
  153.      reference measurements and then corrected for antenna pattern
  154.      effects to obtain brightness temperatures.
  155.  
  156.      For the SMMR instrument, the different polarizations are sampled
  157.      during successive half scans for all frequencies except 37 GHz.
  158.      This means that the IFOVs for the vertical and horizontal
  159.      polarizations do not coincide. Assuming that the antenna
  160.      temperatures vary smoothly over the extent of a cell, the
  161.      collocated measurements can be approximated by interpolating the
  162.      missing channel values from the FOV surrounding the subject FOV.
  163.  
  164.      The Pathfinder SMMR Brightness Temperatures:
  165.  
  166.      As a Pathfinder project, NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL)
  167.      recently reprocessed the entire record of SMMR observations. In
  168.      part JPL undertook the reprocessing to "remove (or reduce) known
  169.      calibration anomalies that existed in earlier versions of the
  170.      data..." (Njoku et al., 1995). As part of this reprocessing, it
  171.      reworked the data into swath format. Channel by channel, JPL
  172.      interpolated brightness temperatures to the location of the
  173.      footprint of a reference channel. For the reference channel JPL
  174.      chose 37 GHz (vertical polarization). JPL organized the remapped,
  175.      recalibrated data by orbit. These Pathfinder brightness
  176.      temperatures were used in the rain rate study discussed here. .
  177.  
  178. The Files
  179.  
  180.      Each file represents a latitude-longitude grid of mean rain rates.
  181.      Files for a specific month in a specific year use the date (see
  182.      section below) designator YYMM. File which contain the mean rain
  183.      rate for an entire year use the date designator MM. There are also
  184.      monthly climate files averaged over multiple years (1979-1986),
  185.      which use the date designator MM, while no date designator is the
  186.      average annual mean rain rate.
  187.  
  188.      In addition to the monthly and annual grids there are analysis
  189.      grids in similar format representing the phases and amplitudes of
  190.      the annual and semiannual components of the rain rate. The
  191.      amplitude grids use the parameter designators amp1 and amp2,
  192.      respectively. The corresponding phases use the parameter
  193.      designators phase1 and phase2. The method of calculating phases
  194.      and amplitudes is discussed briefly in the section Processing
  195.      Sequence and Algorithms.
  196.  
  197.      Format
  198.  
  199.      Details of the internal file structures for each of these cases
  200.      are presented in the table below.
  201.  
  202.                    Data File Characteristics
  203.                                bytes             41724
  204.          File Size
  205.                             Data Values          10431
  206.                           IEEE 32-bit floating point
  207.                               Headers             None
  208.         Data Format
  209.                              Trailers             None
  210.                             Delimiters            None
  211.          Grid Size                 171 x 61
  212.                                Land              -999.
  213.       Land/water mask
  214.                      Land-contaminated values     -99.
  215.  
  216.                                Start             30.5N,
  217.                                                  29.5E
  218.         Orientation
  219.                                 End              30.5S,
  220.                                                  200.5E
  221.  
  222.      Name and Directory Information
  223.  
  224.      Naming Convention
  225.  
  226.                                    Monsoon
  227.       Substring      Meaning         data       Specific
  228.                                   indicator      value
  229.  
  230.                                              Scanning
  231.       xxxxxxxx   data product     smmr       Multichannel
  232.                  designator                  Microwave
  233.                                              Radiometer
  234.  
  235.                                   rain       rainfall rate
  236.  
  237.                                              Annual
  238.                                   amp1       Rainfall
  239.                                              Amplitudes
  240.  
  241.       pppppp     parameter name              Semi Annual
  242.                                   amp2
  243.                                              Amplitudes
  244.  
  245.                                   phase1     Annual Phases
  246.  
  247.                                   phase2     Semi Annual
  248.                                              Phases
  249.  
  250.                  l   number of    1          one level
  251.                      levels
  252.  
  253.                  c   vertical     n          not
  254.                      coordinate              applicable
  255.  
  256.                                   m          monthly
  257.  
  258.                                   c          climate
  259.                                              monthly
  260.                      temporal
  261.       lctgrr     t   period       x          climate
  262.                                              annual
  263.  
  264.                                   n          not
  265.                                              applicable
  266.  
  267.                      horizontal
  268.                  g   grid         e          1 x 1-degree
  269.                      resolution
  270.  
  271.                  rr  spatial      o1         Oceanic
  272.                      coverage                Region 1
  273.  
  274.                  yy  year         78 - 87    range of
  275.                                              years
  276.       yymm
  277.                  mm  month        01 - 12    range of
  278.                                              months
  279.  
  280.                                   bin        IEEE 32-bit
  281.       bin or
  282.       ctl        data format      ctl        GrADS control
  283.                                              file
  284.  
  285.       Note:Indicators in bold are constant within a file
  286.       group. Non-bold elements are variable, i.e.,
  287.       smmr.rain.1nmeo1.8612.bin
  288.  
  289.      Directory Path
  290.  
  291.           /data/hydrology/precip/smmr_monsoon/xxxx
  292.  
  293.           where xxxx is:
  294.                year (i.e. 1978)
  295.                clim (climate data)
  296.                harm (harmonics data)
  297.  
  298.      Companion Software
  299.      Several software packages have been made available on the CIDC
  300.      CD-ROM set. The Grid Analysis and Display System (GrADS) is an
  301.      interactive desktop tool that is currently in use worldwide for
  302.      the analysis and display of earth science data. GrADS meta-data
  303.      files (.ctl) have been supplied for each of the data sets. A GrADS
  304.      gui interface has been created for use with the CIDC data. See the
  305.      GrADS document for information on how to use the gui interface.
  306.  
  307.      Decompression software for PC and Macintosh platforms have been
  308.      supplied for datasets which are compressed on the CIDC CD-ROM set.
  309.      For additional information on the decompression software see the
  310.      aareadme file in the directory:
  311.  
  312.           software/decompression/
  313.  
  314.      Sample programs in FORTRAN, C and IDL languages have also been
  315.      made available to read these data. You may also acquire this
  316.      software by accessing the software/read_cidc_sftwr directory on
  317.      each of the CIDC CD-ROMs
  318.  
  319. The Science
  320.  
  321.      Theoretical Basis of Data
  322.      The rainfall algorithm is based on a radiative transfer model. It
  323.      considers separate vertical and horizontal polarization channels
  324.      for each of three frequencies (10.7, 18 and 37 GHz). These
  325.      channels all have differing sensitivities to rain which vary with
  326.      rain rate and changes in environmental factors affecting microwave
  327.      brightness temperature, namely sea surface temperature (SST),
  328.      wind, humidity, and height of the freezing level. The estimates
  329.      based on each channel are combined using weights adjusted to
  330.      emphasize channels having the greatest skill in the range of rain
  331.      rates being observed.
  332.  
  333.      The microwave signal variations induced by the surface are smaller
  334.      over the open ocean than over land. In addition, the surface
  335.      caused signal variations over the ocean are easier to identify and
  336.      remove. For this reason rain fall determinations are most accurate
  337.      only over the open ocean. Therefore in this data set negative fill
  338.      values are inserted over land and land contaminated regions.
  339.  
  340.      Processing Sequence and Algorithms
  341.      A closely related predecessor to our algorithm is described by
  342.      Hinton et al. (1992). (The layout of this document assumes the
  343.      ASCII character set, a fixed pitch font, and line lengths >=60
  344.      characters. Because this character set lacks the usual partial
  345.      derivative symbol, "D" has been substituted in mathematical
  346.      expressions. Similarly, since some editors do not render the
  347.      character with ASCII code 235 as "delta" we also use "d" to denote
  348.      a small but finite increment.)
  349.  
  350.                 In this note we designate the channels by a
  351.                            subscript as follows,
  352.  
  353.                i        freq (GHz)            polarization
  354.  
  355.                1           6.6                 Horizontal
  356.  
  357.                2           6.6                  Vertical
  358.  
  359.                3           10.7                Horizontal
  360.  
  361.                4           10.7                 Vertical
  362.  
  363.                5           18.0                Horizontal
  364.  
  365.                6           18.0                 Vertical
  366.  
  367.                7           21.0                Horizontal
  368.  
  369.                8           21.0                 Vertical
  370.  
  371.                9           37.0                Horizontal
  372.  
  373.               10           37.0                 Vertical
  374.  
  375.      Rain rate implied by SMMR channel-i, (Ri) is considered a function
  376.      of the channel's brightness temperature TBi and several
  377.      environmental parameters which vary with location and time. The
  378.      environmental parameters are: sea surface temperature (SST),
  379.      relative humidity (RH), wind speed (W) and freezing level (Zfr).
  380.      Air temperature (which is relatively unimportant) has been assumed
  381.      equal to SST temperature at the surface, and to decrease upward at
  382.      a climatological lapse rate.
  383.  
  384.      A fraction (fr) of the area of each field of view of SMMR is
  385.      covered by rain, the balance is not. For a model of the rain
  386.      no-rain partition we have used results of Graves (1993). His
  387.      results have been fitted to curves of the form
  388.  
  389.                           fr = [a + b( exp(-R/c))].
  390.  
  391.      Ri and the other environmental quantities are all interpreted as
  392.      averages over a channel's field of view--a very good approximation
  393.      for the environmental variables, but not for rain rate itself. The
  394.      R quantities are modeled as field-of-view means over distributions
  395.      of local rain rates which have significant variability on scales
  396.      much less than the dimensions of a field of view.
  397.  
  398.      The rain rate over the raining fraction is described by a gamma
  399.      distribution. At extremely low mean rates the limiting shape is
  400.      exponential, while at very high mean rain rates it becomes
  401.      increasingly peaked, resembling a log-normal distribution, but
  402.      still skewed at realistic values of the mean rain rates.
  403.  
  404.      The main variation of Ri is with TBi, other effects are treated as
  405.      perturbations. Consequently, Ri (TBi, SST, RH, W, Zfr) is well
  406.      approximated by an expression of the form,
  407.  
  408.      (1)
  409.          Ri = Ri0(TBi) + [DRi/DSST]*(SST-27.5) + [DRi/DRH]*(RH-80) +
  410.      {[DRi/DW]*(W-7)+(1/2)*[D(DRi/DW)DW]*(W-7)2} + [DRi/DZfr]*(Zfr-4.5)
  411.  
  412.      In (1) the subscript "i" designates the channel, and the subscript
  413.      "0" designates the rain rate as a function the ith channel
  414.      brightness temperature, TBi, for a set of nominal environmental
  415.      conditions: 80% relative humidity, 27.5 C sea surface temperature,
  416.      7 m s-1 wind speed, and a freezing level at 4.5 km.
  417.  
  418.      The form of (1) is suggested by the Taylor series expansion of an
  419.      arbitrary continuous function. Note, however, that TWO terms have
  420.      been retained only for the wind variation. The partial derivatives
  421.      in (1) are all evaluated from a radiative transfer model for this
  422.      set of reference conditions. The model is described by Olson
  423.      (1987).
  424.  
  425.      Arbitrarily we have elected to replace channel 10 by an 11th
  426.      synthetic channel (TB10 - TB9). This does not change the
  427.      information content of the total set of channels. In addition, we
  428.      do not use the two lowest frequency channels (6.6 GHz) because of
  429.      their poor spatial resolution, nor the 21 GHz channels because
  430.      they primarily see water vapor. Thus, we will actually use six of
  431.      11 indexed channels (i = 1,..., 11) to form a multichannel rain
  432.      estimate. For generality, the unused channels may still appear in
  433.      equations or sums, but will be associated with a weight
  434.      identically zero.
  435.  
  436.      Note R0i (TBi), the leading terms in the set of equations (1) for
  437.      i = 1,2,..., are double valued for frequencies above 10.7 GHz. Two
  438.      different values of Ri may result in the same brightness
  439.      temperature. At low frequencies the "second" (i.e. the larger)
  440.      value of R0i is so large it is of little practical importance. The
  441.      cause of this phenomenon is that scattering by precipitating ice
  442.      particles (which tends to decrease TBi) begins to dominate over
  443.      emission by precipitating liquid drops (which tends to increase
  444.      TBi).
  445.  
  446.      In practice, because of the distribution of rain rates in nature,
  447.      area mean rain rates will almost always lie on the lower of the
  448.      two branches of these curve removing this ambiguity. The 37 GHz
  449.      channels are an exception because both members of an ambiguous
  450.      pair can be at rain rates likely to be observed. In any case, the
  451.      ambiguity in higher frequency channels can be resolved with the
  452.      help of the 10.7 GHz channels if we assume these are never far
  453.      beyond their crossing points (Ri > 50 mm/h).
  454.  
  455.      Once the individual channel rain estimates are obtained, they are
  456.      combined using a set of weights chosen optimally to minimize the
  457.      expected multichannel error. Because of the behavior of R0i (TBi)
  458.      the partial derivatives may be undefined near the R0i crossover
  459.      point so that (1) cannot be used for channel-i for a range of TBi
  460.      around the cross over. If TBi is in the vicinity of an ambiguity
  461.      its weight is greatly diminished depending on the spread in the
  462.      ambiguous Ri. In the least square sense this optimization is
  463.      achieved when the error variance contributed by each channel is
  464.      equal to the error variance contributed by any other channel.
  465.      Assuming our estimates of the environmental parameters are
  466.      unbiased, the error of an individual channel, Ri, is given by (2),
  467.      in which the d (delta) quantities of RH, SST, W, and Zfr are the
  468.      root mean square errors of the environmental parameters
  469.      ---departures of the climatological values from the actual values.
  470.      Of course these errors can never be known exactly, so in practice
  471.      we must estimate them. We have tentatively assumed the following
  472.      values:
  473.  
  474.         * 3 deg C for SST,
  475.         * 5% for RH,
  476.         * 0.5 km for the freezing level
  477.         * 3 m s-1 for wind.
  478.  
  479.      (2)
  480.       (dRi)2 = ((dRH*DRi/DRH)2 + (dSST*DRi/DSST)2 + (dZfr*DRi/DZfr)2+[
  481.                 (dW*DRi/DW) + (1/2)*(dW)2*(D(DRi/DW)/DW) ]2
  482.  
  483.      Over much of the tropical ocean W is near 7 so the last term is
  484.      often relatively small. In addition, there is an error in each Ri
  485.      due to measurement errors in TBi, that is "noise". The magnitude
  486.      of the noise component (dTBi, noise) is thought to be about 2
  487.      degrees K for all ten original SMMR channels. It follows that the
  488.      noise for channel 11, the synthetic (V37-H37) channel, would be
  489.      SQRT(2)*2 if the noises of the V37 and H37 channels are
  490.      independent.
  491.  
  492.      The expression for the rain error due to channel noise of
  493.      brightness temperature is given in (3).
  494.  
  495.                      [d(Ri)noise]2 = [dTBi*(DRi/DTBi)]2
  496.  
  497.      It follows that the total error variance is given by the sums of
  498.      the environmental variance from (2) and the noise variance from
  499.      (3).
  500.  
  501.                   [d(Ri)total]2 = [d(Ri)]2 + [d(Ri)noise]2
  502.      The weights, Wti, needed for the composite rain estimate are:
  503.  
  504.              Wti = [(dRi)total]2/SUM[(dRi)total]2 (over oceans)
  505.                    = 0 (land or channels 1,2,7,8, or 10)
  506.      Our optimized estimate of rain rate is thus given by:
  507.  
  508.                           R = SUM(Wti*Ri)/SUM(Wti)
  509.  
  510.      Weights could be independently calculated for each field of view
  511.      processed since there are variations in the values of
  512.      environmental parameters with time and location. Closer inspection
  513.      of (4) and (5) shows, however, that for Wti the absolute
  514.      magnitudes of the environmental and noise contributions to the
  515.      dRi's are not important; it is their size relative to each other
  516.      that matters. The effects of varying the environmental
  517.      uncertainties one at a time, were explored. Results suggested that
  518.      assigning constant standard values to these environmental
  519.      uncertainties would suffice for estimating the Wti values and
  520.      could be used for the sake of computational simplicity.
  521.  
  522.      The environmental parameters themselves were obtained from the
  523.      U.S. Navy Marine Atlas CD (Anon.) directly--or calculated from
  524.      variables therein at one month temporal resolution in one degree
  525.      by one degree latitude-longitude squares.
  526.  
  527.      The general structure of Zfr was inferred from scattered studies
  528.      in the literature (e.g. latitude distributions of air temperature
  529.      as a function of altitude along restricted longitude sections).
  530.  
  531.      Calculation of Harmonics:
  532.  
  533.      Let f(omega*t) be a periodic function with period T. Where omega =
  534.      2*pi/T. Further, suppose the values of f are available at
  535.      intervals T/m of t so that t takes on the values,
  536.  
  537.                                 tr = r*T/m,
  538.      for r = 0, 1, 2, ..., m-1, and
  539.                       tr = 0 at 0:00 UTC on 1 January.
  540.  
  541.      Then, following equations 25.2.53 and 25.2.55 in Abramowitz and
  542.      Stegun (1965),
  543.  
  544.       f(omega*t) = (a0/2) + Sum{ak*cos(k*omega*t) + bk*sin(k*omega*t)}
  545.  
  546.      where the Sum extends over k = 1, 2, ..., n and where n and m are
  547.      related by m = 2*n if m is an even number. In this m-even case,
  548.  
  549.                  ak = (1/n)*Sum(f(omega*tr)*cos(k*omega*tr))
  550.                 bk = (1/n)*Sum(f(omega*tr)*sin(k*omega*tr))
  551.  
  552.      We obtained monthly values averaged over periods (T) of one year,
  553.      so that m = 12. Thus n = 6. Notice that ak and bk can be thought
  554.      of as average values
  555.  
  556.                             a0 = Ave[f(omega*tr)]
  557.             ak = Ave[2*f(omega*tr)*cos(k*omega*tr)], n >= k >= 0
  558.             bk = Ave[2*f(omega*tr)*sin(k*omega*tr)], n >= k >= 0
  559.  
  560.      After Calculating the ak's and bk's in this way, they are
  561.      transformed to a phase/amplitude representation.
  562.  
  563.         f(omega*t) = SUM{SQRT[ak2+bk 2]*cos(omega*tr+ATAN2(bk/ak))}
  564.  
  565.      Additional discussion can be found in Martin et al. (1996).
  566.  
  567.      Scientific Potential of Data
  568.      This study presents a new climatology of monsoon rainfall over the
  569.      Indian and West Pacific Oceans. It uses a generalized version of
  570.      the Wisconsin scheme (Hinton et al., 1992) to retrieve rain rate
  571.      from the Pathfinder set of Nimbus-7 Scanning Multichannel
  572.      Microwave Radiometer (SMMR) brightness temperatures. The scheme
  573.      yielded monthly rain rate for open-ocean boxes one-degree wide and
  574.      one-degree high from 1979 through 1986.
  575.  
  576.      Authors' Analysis:
  577.  
  578.      These rain rates were analyzed for structure, behavior and change.
  579.      They also were compared with rain rates measured by gauges within
  580.      India. Except for gale-force winds, which occurred in a corner of
  581.      the Arabian Sea through two months of each year, the scheme
  582.      adequately represented ambient conditions over the Indian and West
  583.      Pacific Oceans. Two main elements--Bands and waves--appeared in
  584.      the maritime component of monsoon rain. Rain tended to fall in two
  585.      bands paired across the equator. Across the Indian Ocean, in
  586.      persistence and strength the southern member consistently
  587.      dominated the northern member. Across the West Pacific Ocean, the
  588.      southern member occasionally dominated the northern member. Close
  589.      to the East Indies northern and southern members merged. Across
  590.      the embayments of southern Asia a third band paralleled the
  591.      northern member of the equatorial pair.
  592.  
  593.      Waves followed the sun. Northbound, a wave crossed the equator in
  594.      the boreal spring; southbound, in the boreal autumn. Following
  595.      each crossing, it amplified--strongly in the northern hemisphere
  596.      and weakly in the southern hemisphere. Toward the peak of its
  597.      excursion into each hemisphere, the wave damped--weakly in the
  598.      northern hemisphere and strongly in the southern hemisphere.
  599.  
  600.      Waves modulated bands. As a wave approached, a band tended to join
  601.      it and amplify; as the wave passed the band tended to follow it
  602.      and weaken.. The interaction of waves and bands yielded zones
  603.      dominated by an annual cycle, zones dominated by a semi-annual
  604.      cycle and zones absent either. The annual cycle prevailed along
  605.      the third band and on the poleward flanks of the members of the
  606.      equatorial pair of bands. The semi-annual cycle prevailed along
  607.      the equatorward flanks of members of the equatorial pair.
  608.  
  609.      The records reveal an El Nino/Southern Oscillation (ENSO) event.
  610.      The event began in 1982, involved both oceans and occurred in two
  611.      stages, wet and dry. Over the Indian Ocean dry preceded wet; over
  612.      the West Pacific Ocean, wet preceded dry. In the first stage
  613.      anomalously light rain fell over the Indian Ocean; anomalously
  614.      heavy rain over the West Pacific Ocean. In the second stage this
  615.      dipole pattern reversed sign. Across the West Pacific Ocean the
  616.      second stage began abruptly. It initiated a second dipole pattern,
  617.      extreme deficiency in the north member of the equatorial pair of
  618.      rain bands and little or no deficiency in the south member. In
  619.      outline this pattern conforms with Lau and Chan's (1986) depiction
  620.      of the 1982/83 ENSO through time-longitude sections of OLR; it
  621.      conforms as well with two views of rain fall in the 1982/83 ENSO
  622.      presented by Prabhakara et al. (1986).
  623.  
  624.      Rain over India conformed to the band-wave model of monsoon ocean
  625.      rainfall. Dovetailing in phases and amplitudes of Indian Ocean
  626.      rain and India rain suggests a correspondence between the north
  627.      bound, amplifying Indian Ocean wave and the onset of the southwest
  628.      monsoon. Averaged over a month as well as a year, Arabian Sea and
  629.      Bay of Bengal rain rate varied with rather than against rain rate
  630.      over India.
  631.  
  632.      Other Possible Studies:
  633.  
  634.      We recommend that the Wisconsin scheme be validated against gauge
  635.      measurements of rain rate. A validated record would support tests
  636.      of hypotheses linking Madden-Julian waves to the onset of the
  637.      southwest monsoon and postulating a biennial cycle in ocean rain
  638.      fall.. It also could be used to investigate the significance of
  639.      the semi-annual cycle and the band-scale behavior of West Pacific
  640.      and Indian Ocean rain in the 1982-1984 ENSO. In conjunction with
  641.      gauge measurements from Asia, Australia, Madagascar, Melanesia and
  642.      the East Indies it could yield the first comprehensive view of
  643.      rain in the greater Austral-Asian-Mascarene monsoon system.
  644.      Spliced to records retrieved from other satellites the Nimbus-7
  645.      SMMR record could address issues involving multiple ENSOs and
  646.      trends in tropical rain fall.
  647.  
  648.      To improve its performance over the Arabian Sea we recommend that
  649.      the scheme be extended to accommodate gale-force wind; to
  650.      generalize it to all tropical oceans through all phases in an ENSO
  651.      cycle we also recommend that the scheme be extended to accommodate
  652.      cool sea surface temperatures under a shallow trade-wind
  653.      inversion.
  654.  
  655.      Our Analyses only scratch the surface of the 106-month Nimbus-7
  656.      SMMR rain record. By itself the record would support analyses of
  657.      the following issues:
  658.  
  659.         * significance of the semi-annual cycle;
  660.         * the existence of a biennial cycle (Meehl 1987; Rasmusson et
  661.           al. 1990);
  662.         * the effect of Madden-Julian waves (Madden and Julian 1972;
  663.           Hong and Lim 1994) on the onset of the southwest monsoon;
  664.         * band-scale behavior of the 1982-1984 ENSO; and
  665.         * A test of the degree to which the band-wave concept explains
  666.           over-water structure and variation in the
  667.           Asian-Mascarene-Australian monsoon.
  668.  
  669.      Extended across the Pacific Ocean and into the Atlantic Ocean the
  670.      Nimbus-7 SMMR record could yield a portrait of over-water rain in
  671.      each of the earth's monsoon systems. Complemented by records of
  672.      rain over Asia, Australia, Madagascar, Melanesia and the East
  673.      Indies it could yield the first comprehensive view of rain in the
  674.      greater Austral-Asia-Mascarene monsoon system. Spliced to the
  675.      Microwave Sounding Unit record of Spencer (1993), to one of the
  676.      Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I) records (e.g., Chang et
  677.      al. 1993) or merged with the rain record of the Global
  678.      Precipitation Climatology Project (Arkin and Xie 1994), the SMMR
  679.      record could address issues involving multiple ENSOs and
  680.      singularities and trends in tropical rainfall.
  681.  
  682.      Validation of Data
  683.      The authors validated the present SMMR rain estimates using the
  684.      climatic analysis of Jaeger (1976) and the highly reflective cloud
  685.      (HRC) data set discussed by Garcia (1985). Jaeger's basic
  686.      observational material over the oceans was frequency of rain. This
  687.      was interpolated to a 5 by 5 degree latitude-longitude grid from
  688.      isolines of monthly percentage frequency reported in the U.S. Navy
  689.      Marine Climatic Atlas. A frequency was converted to rain amount,
  690.      using Geiger's (1965) map and matching frequencies to rain
  691.      accumulations. Finally Jaeger multiplied the amounts by 1.39 to
  692.      normalize his global rain amounts to an evaporation calculation by
  693.      Kessler (1968).
  694.  
  695.      Garcia's HRC index (e) considers bright visible-band clouds
  696.      extending 200 km or more. Once each day in a month these cloud
  697.      masses are outlined on a Mercator map from a polar orbiting
  698.      satellite composite image. The value of (e) in a one degree
  699.      latitude/longitude box between -25.5 and +25.5 degrees of latitude
  700.      is incremented by one if the box is covered by highly reflective
  701.      cloud. Thus the final (e) is the number of days in a month such
  702.      cloud is present at each latitude-longitude grid point. The HRC
  703.      data was "calibrated" for rainfall against 820 station-months of
  704.      rain gauge data from coral atolls with 30m, or less, maximum
  705.      altitude above sea level. The relation to rainfall was found by
  706.      minimizing the sums of the squares of the deviations of rainfall,
  707.      R, about a linear function
  708.  
  709.                                 R = a + b * e
  710.  
  711.      Alternate fits were made by Kilonsky and Ramage (1976) and Garcia
  712.      (1981); there is little practical difference between the two
  713.      results. The authors also considered an alternate (better fitting)
  714.      relationship between the Jaeger analysis and the SMMR rain, which
  715.      passes exactly through (0,0)
  716.  
  717.                            R(Jaeger) = a*Rb(SMMR)
  718.  
  719.      Comparisons between the SMMR monthly rain and the results of these
  720.      other investigators were made over the eight study regions listed
  721.      in Table 1. The mean monthly rain derived from the 96 region-month
  722.      cases are shown in Table 2 for each method. Except for the
  723.      normalized Jaeger result, the estimates deviate from the Authors's
  724.      SMMR result by less than 4%. The explained variance (r2) between
  725.      the SMMR and the other methods are shown in Table 3.
  726.  
  727.      Note that the algorithm described here and in Martin et al. (1996)
  728.      yields a lower rain rate than that given by the earlier algorithm
  729.      (Hinton et al., 1992). The earlier algorithm included a multiplier
  730.      of 1.34 to normalize the results to those of Jaeger (1976). As
  731.      noted above Jaeger's results were also normalized. In the present
  732.      version the authors choose not to normalize their estimates to
  733.      Jaeger's estimates or to those of any other scientist.
  734.  
  735.      More details concerning the validation studies can be found in
  736.      Martin et al. (1996).
  737.  
  738.                                   TABLE 1
  739.                                Study regions
  740.  
  741.              Number Name         Boundaries      boxes km2
  742.  
  743.              1      Arabian Sea  49.5-79.5E;       251  3024140
  744.                                  5.5N-25.5N
  745.  
  746.              2      Bay of       79.5-98.5E;       114  1378045
  747.                     Bengal       5.5N-22.5N
  748.  
  749.                                  5.5N-23.5N,
  750.                                  from New
  751.              3      Philippine   Indian Ocean     1066 12705019
  752.                     Sea
  753.                                  (nb, NIO) east
  754.                                  to dateline
  755.  
  756.              4      Gan          39.5-100.5E;      513  6335608
  757.                                  5.5S-5.5N
  758.  
  759.                                  5.5S-5.5N,
  760.              5      Nauru        from NIO east     432  5334922
  761.                                  to dateline
  762.  
  763.              6      Madagascar   32.5-79.5E;       512  6110602
  764.                                  23.5S-5.5S
  765.  
  766.              7      Cocos        79.5-130.5E;      615  7323975
  767.                                  23.5S-5.5S
  768.  
  769.                                  5.5S-23.5S,
  770.              8      Coral Sea    from NIO east     352  4216489
  771.                                  to dateline
  772.  
  773.              nb The New Indian Ocean (NIO) consists of regions
  774.              1+2+4+6+7
  775.  
  776.      ------------------------------------------------------------------
  777.  
  778.                                   TABLE 2
  779.               Mean rain from SMMR, Jaeger, and HRC for regions
  780.                                     1-8
  781.  
  782.                                          Mean monthly rain (mm)
  783.                        Source                      for
  784.                                              regions 1-8, 12
  785.                                               months, n=96
  786.  
  787.              SMMR                                 136.6
  788.  
  789.              Jaeger                               183.4
  790.  
  791.              Jaeger without
  792.              normalization                        131.9
  793.  
  794.              Kilonsky & Ramage HRC                133.7
  795.  
  796.              Garcia HRC                           137.4
  797.  
  798.      ------------------------------------------------------------------
  799.  
  800.                                   TABLE 3
  801.               Explained variance between the SMMR monthly rain
  802.                in regions 1-8 and the Jaeger and HRC results
  803.  
  804.              Relations              Explained variance (r2)
  805.  
  806.                                 Jaeger                    0.750
  807.  
  808.              Linear function    Kilonsky & Ramage HRC     0.927
  809.  
  810.                                 Garcia HRC                0.927
  811.  
  812.              Alternate Jaeger relation                    0.835
  813.  
  814. Contacts
  815.  
  816.      Points of Contact
  817.      Questions concerning the algorithms and the production of this
  818.      data should be addressed to
  819.  
  820.           Barry B. Hinton
  821.           Space Science and Engineering Center
  822.           University of Wisconsin-Madison
  823.           Madison, Wisconsin 53706
  824.  
  825.           Internet: BARRY.HINTON@SSEC.WISC.EDU
  826.           608-263-4030 (voice)
  827.  
  828.      For additional information or assistance with this data, contact
  829.  
  830.           Pat Hrubiak
  831.           EOS Distributed Active Archive Center(DAAC)
  832.           Code 902
  833.           NASA Goddard Space Flight Center
  834.           Greenbelt, Maryland 20771
  835.  
  836.           Internet: hrubiak@daac.gsfc.nasa.gov
  837.           301-614-5165 (voice)
  838.           301-614-5268 (fax)
  839.  
  840.      For information about or assistance in using any DAAC data,
  841.      contact
  842.  
  843.           EOS Distributed Active Archive Center(DAAC)
  844.           Code 902
  845.           NASA Goddard Space Flight Center
  846.           Greenbelt, Maryland 20771
  847.  
  848.           Internet: daacuso@daac.gsfc.nasa.gov
  849.           301-614-5224 (voice)
  850.           301-614-5268 (fax)
  851.  
  852. References
  853.  
  854.      Abramowitz, M., and I. A. Stegun, Eds., 1965: Handbook of
  855.      Mathematical Functions, Dover Publications, Inc., New York, NY.
  856.      Harmonic analysis of tabulated data is discussed many places. The
  857.      formulas used in this analysis are tabulated without discussion in
  858.      the above reference.
  859.  
  860.      Anon. : U.S. Navy Marine Climatic Atlas, CD-ROM Ver 1.1 available
  861.      from NOAA's National Climatic Data Center, Asheville, NC.
  862.  
  863.      Arkin, P. A., and P. Xie, 1994: The Global Precipitation
  864.      Climatology Project: First Algorithm Intercomparison Project,
  865.      Bull. Amer. Meteorol. Soc., 75, 401-419.
  866.  
  867.      Chang, A. R. C., L. S. Chiu and T. T. Wilheit, 1993: Oceanic
  868.      monthly rainfall derived from SSM/I, Eos, 74 (No.44), 505, 513.
  869.  
  870.      Garcia, O., 1981: A comparison of two satellite rainfall estimates
  871.      for GATE, J. Appl. Meteorol., 20, 430-438
  872.  
  873.      Garcia, O., 1985: Atlas of Highly Reflective Clouds for the Global
  874.      Tropics: 1971-1983, U.S. Department of Commerce, Washington, D.C.,
  875.      xii, 365pp.
  876.  
  877.      Geiger, R., 1965: The Earth's Atmosphere: Mean Annual
  878.      Precipitation, World Maps, Map 5, Scale 1:30M, Justus Perthes.
  879.  
  880.      Gloerson, P. and F. T. Barath, 1997: A Scanning Multichannel
  881.      Microwave Radiometer for Nimbus-G and Seasat-A. IEEE J. Oceanic
  882.      Eng., OE-2, 172-178.
  883.  
  884.      Graves, C. E., 1993: A model for the beam-filling effect
  885.      associated with the microwave retrieval of rain. J. Atmos. Ocean.
  886.      Technol., 10, 5-14.
  887.  
  888.      Hinton, B. B. , W. S. Olson, D. W. Martin and B. Auvine, 1992: A
  889.      passive microwave algorithm for tropical oceanic rainfall, J.
  890.      Appl. Meteorol., 31, 1379-1395.
  891.  
  892.      Hong, Y., and H.-S. Lim, 1994: Evidence for low-frequency waves of
  893.      tropical rainfall inferred from microwave brightness temperature,
  894.      Mon. Wea. Rev., 122, 1364-1370.
  895.  
  896.      Jaeger, L., 1976: Monatskarten Des Niederschlags fur die ganze
  897.      Erde, im Selbstverlag Des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach,
  898.      Germany.
  899.  
  900.      Kessler, A., 1968: Globalbilanzen von Klimaelementen, Ber. Inst.
  901.      Meteorol. Klimatolg. Tech. Hochschule Hanover, 3, 1-141.
  902.  
  903.      Kilonsky, B.J., and C.S. Ramage, 1976: A technique for estimating
  904.      tropical open-ocean rainfall from satellite observations, J. Appl.
  905.      Meteorol., 15, 972-975.
  906.  
  907.      Lau, K. M., and P. H. Chan, 1986: The 40-50 day oscillation and
  908.      the El Nino/Southern Oscillation: A new perspective, Bull. Amer.
  909.      Meteorol. Soc., 67, 533-534.
  910.  
  911.      Madden, R. A., and P. R. Julian, 1972: Description of global-scale
  912.      circulation cells in the tropics with a 40-50 day period, J.
  913.      Atmos. Sci., 29, 1109-1123.
  914.  
  915.      Martin, D. W., B. H. Hinton, and K. W. Bywaters, February 1996:
  916.      Final Report on Grant NAGW-3641, Mechanisms of Monsoon Rainfall in
  917.      the Indo-Pacific Region, Space Science and Engineering Center,
  918.      University of Wisconsin-Madison (Madison, WI 53706) 95 pp.
  919.  
  920.      Meehl, G. A., 1987: The annual cycle and interannual variability
  921.      in the tropical Pacific and Indian Ocean regions, Mon. Wea. Rev.,
  922.      115, 27-50.
  923.  
  924.      Njoku, E. G., B. Rague and K. Fleming, 1994:: Nimbus-7 scanning
  925.      Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) Brightness Temperature
  926.      Data.. Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California, 7 pp plus
  927.      appendix.
  928.  
  929.      Njoku, E., B. Rague, and K. Fleming, September 1995: User's Guide
  930.      to the Nimbus-7 SMMR Pathfinder Brightness temperature Dataset.,
  931.      Jet Propulsion Laboratory.
  932.  
  933.      Oakes, A., D. Han, H. Kyle, G. Feldman, A. Fleig, E. Hurley, and
  934.      B. Kaufman, 1989: Nimbus-7 Data Product Summary, NASA Reference
  935.      Publication 1215
  936.  
  937.      Olson, W. S., 1987: Estimation of rainfall rates in tropical
  938.      cyclones by passive microwave radiometry, Dissertation, University
  939.      of Wisconsin-Madison (Madison), 282 pp.
  940.  
  941.      Prabhakara, C., D. A. Short, W. Wiscombe, R. S. Fraser and B. E.
  942.      Vollmer, 1986: Rainfall over oceans inferred from Nimbus 7 SMMR:
  943.      Application to 1982-83 El Nino, J. Climate Appl. Meteor., 25,
  944.      1464-1474.
  945.  
  946.      Rasmusson, E. M., X. Wang and C. F. Ropelewski, 1990: The biennial
  947.      component of ENSO variability, J. Marine Systems, 1, 71-96.
  948.  
  949.      Spencer, R. W., 1993: Global oceanic precipitation from the MSU
  950.      during 1979-91 and comparisons to other climatologies, J. Climate,
  951.      6, 1301-1326.
  952.  
  953.   ------------------------------------------------------------------------
  954.  
  955.                  [NASA] [GSFC]  [Goddard DAAC] [cidc site]
  956.  
  957.                   NASA  Goddard      GDAAC        CIDC
  958.  
  959. Last update:Wed Jul 2 11:04:51 EDT 1997
  960. Page Author: H. Lee Kyle -- lkyle@daac.gsfc.nasa.gov
  961. Web Curator: Daniel Ziskin -- ziskin@daac.gsfc.nasa.gov
  962. NASA official: Paul Chan, DAAC Manager -- chan@daac.gsfc.nasa.gov
  963.