Intercomparison of Metop-A SO2 measure- ments during the 2010- 2011 Icelandic eruptions ANNALS OF GEOPHYSICS, Fast Track 2, 2014; doi: 10.4401/ag-6613 Intercomparison of Metop-A SO2 measure- ments during the 2010- 2011 Icelandic eruptions MARIA ELISSAVET KOUKOULI1*, LIEVEN CLARISSE2, ELISA  CARBONI3, JEROEN VAN GENT4, CLAUDIA SPINETTI5, DIMITRIS  BALIS1, SPYROS DIMOPOULOS1, ROY GRAINGER3 , NICOLAS  THEYS4, LUCIA TAMPELLINI6 AND CLAUS ZEHNER7 1 Laboratory of Atmospheric Physics, Aristotle University of Thessaloniki,  Greece, 2 Université Libre de Bruxelles, Brussels, Belgium, 3 COMET, Atmo­ spheric, Oceanic & Planetary Physics, Oxford University, Oxford, UK, 4 Bel­ gian Institute for Space Aeronomy, Brussels, Belgium, 5 Istituto Nazionale di  Geofisica e Vulcanologia, Roma, Italy, 6 Compagnia Generale per lo Spazio,  Milano, Italy, 7 European Space Agency, Rome, Italy.  *mariliza@auth.gr Abstract The European Space Agency project Satellite Monitoring of Ash and Sulphur Dioxide for the mitigation of Avi­ ation Hazards, was introduced after the eruption of the Icelandic volcano Eyjafjallajökull in the spring of 2010   to facilitate the development of an optimal End­to­End System for Volcanic Ash Plume Monitoring and Predic­ tion. The Eyjafjallajökull plume drifted towards Europe and caused major disruptions of European air traffic for   several weeks affecting the everyday life of millions of people. The limitations in volcanic plume monitoring and   prediction capabilities gave birth to this observational system which is based on comprehensive satellite­derived   ash plume and sulphur dioxide [SO2] level estimates, as well as a widespread validation using supplementary   satellite,   aircraft   and   ground­based   measurements.  Inter­comparison   of   the   volcanic   total   SO2  column   and   plume height observed by GOME­2/Metop­A and IASI/Metop­A are shown before, during and after the Eyjaf­ jallajökull 2010 eruptions as well as for the 2011 Grímsvötn eruption. Co­located ground­based Brewer Spectro­ photometer data extracted from the World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre for de Bilt, the Nether­ lands, are also compared to the different satellite estimates. Promising agreement is found for the two different   types of instrument for the SO2  columns with linear regression coefficients ranging around from 0.64 when   comparing the different instruments and 0.85 when comparing the two different IASI algorithms. The agree ­ ment for the plume height is lower, possibly due to the major differences between the height retrieval part of the   GOME2 and IASI algorithms. The comparisons with the Brewer ground­based station in de Bilt, The Nether ­ lands show good qualitative agreement for the peak of the event however stronger eruptive signals are required   for a longer quantitative comparison. doi: 10.4401/ag-6613 1 francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text francescocaprara Typewritten Text ANNALS OF GEOPHYSICS, Fast Track 2, 2014 I. INTRODUCTION he main objective of the European Spa­ ce Agency [ESA] Satellite Monitoring of   Ash   and   Sulphur   Dioxide,   SO2,   for   the   mitigation   of   Aviation   Hazards,  SACS­ 2/SMASH, project is the development, impro­ vement   and   validation   of   satelite­derived   ash  &   SO2  products.   This   system   is   based   on   im­ proved   and   dedicated   satellite­derived   ash  plume   and   sulphur   dioxide  level  assessments  following the Support to Aviation Control Ser­ vice   (SACS,   http://sacs.aeronomie.be),   which  is a free online service initiated by ESA for the  near­real­time   satellite   monitoring   of   volcanic  plumes of SO2 and ash [Brenot et al., 2014]. The  SACS­2/SMASH  system   has   been   compre­ hensively   validated   using   auxiliary   satellite,  aircraft   and   ground­based   measurements  [Koukouli   et   al.,   2014;   Spinetti   et   al.,   2014.].  This   paper   provides   inter­comparisons  between three different SO2 column and plume  height assessments from two different satellite  instruments  for   the   2011   Grímsvötn   eruption.  The   satellite   SO2  products   are   further   being  compared to ground­based SO2  column obser­ vations for the Eyjafjallajökull 2010 eruptions. II. SO2 OBSERVATIONS AND METHODOLOGIES I. IASI SULPHUR DIOXIDE PRODUCTS The   hyper­spectral   Infrared   Atmospheric  Sounding   Interferometer   (IASI)   was  launched  in   October   2006   onboard   the   Meteorological  Operational   satellite­A   (MetOp­A)   [Clerbaux  et   al.,   2009]   for   meteorological   and   scientific  applications.   Global   nadir   measurements   are  acquired twice a day at 09:30 and 21:30 mean  local equatorial time with a 12 km radius foot­ print   in   the   nadir.   In   the   following   analysis  two   IASI   SO2  products   are   used:   one   devel­ oped by the Atmospheric Spectroscopy group  of the Université Libre de Bruxelles, hereafter  ULB, and one developed by the Earth Observa­ tion   Data   Group   at  the   University   of   Oxford,  hereafter  Oxford. Both products use similar al­ gorithms for the detection [Clarisse et al., 2014]  and   retrieval  of   total   columns   [Carboni   et  al.,  2012] however  the Oxford algorithm retrieves  the SO2  plume height simultaneously with the  SO2  column amount, which has the advantage  of   yielding   realistic   error   estimates.  The   ULB  algorithm retrieves the height prior to the col­ umn and has the added benefit of not relying  on any a­priori information.  II. GOME2 SULPHUR DIOXIDE PRODUCTS The  second   Global  Ozone  Monitoring  Experi­ ment (GOME­2) is a UV/visible nadir­viewing  spectrometer   covering   the   240­790   nm   wave­ length interval with a spectral resolution of 0.2  – 0.5 nm [Munro et al., 2006] also on board the  MetOp­A   satellite.   Its   ground   pixel   size   is  nearly constant along the orbit, around 80 x 40  km². The GOME­2 SO2  products shown in the  analysis   have   been   developed   at   the   Belgian  Institute of Space Aeronomy, (hereafter  BIRA­ IASB) and were derived with an extended ver­ sion of the GODFIT trace gas column retrieval  algorithm   [Lerot   et   al.,   2010].   The   algorithm  derives the SO2 total column amount and effec­ tive plume height simultaneously by applying  an iterative direct fitting method with an opti­ mal   estimation   inversion   scheme.  A   priori  in­ formation   is   only   used   for   the   SO2  plume  height.  III. BREWER SULPHUR DIOXIDE COLUMNS Measuring total SO2  column  using Brewer in­ struments   is   discussed   in   Kerr   et   al.,   [2007],  and   references   therein.   Brewer   spectropho­ tometers measure the UV absorption spectrum  T 2 ANNALS OF GEOPHYSICS, Fast Track 2, 2014 at five wavelengths. Once the ozone column is  calculated, the total SO2  column can be deter­ mined  using   semi­empirical   equations   based  on the measured light intensity at each  of the  wavelengths,   equivalent   extraterrestrial   light  intensities,   the   air   mass   factor,   the   pre­calcu­ lated column amount of ozone and the absorp­ tion coefficients of the two interfering species.  Since   the   signal­to­noise   level   for   the  SO2  ab­ sorption is usually  quite low, very well calib­ rated   instruments   are   required   to   monitor  nominal  SO2  levels.  To  the  best  of  our  know­ ledge, no comprehensive error assessments of  the   Brewer  total   SO2  columns   have   been   re­ ported as yet. After imposing a rigorous qual­ ity   control   on   the   stations   reporting   Brewer  SO2  columns   available   through   the   World  Ozone   and   Ultraviolet   Radiation   Data   Centre  (WOUDC), [Koukouli et al., 2014], a total of 16  European   stations   were   accepted   as   possibly  being   able   to   show   signs   of   increased  SO2  levels   due   to   the   volcanic   eruptions.  In ex- treme cases, such as volcanic eruptions [Fioletov et al., 1998], SO2 levels typic- ally rise well above instrumental noise permitting their comprehensive study us- ing the Brewer instrument. Flentje   et   al.,  [2010],   showed   enhanced   atmospheric   levels  during the Eyjafjallajökull eruptive period us­ ing   the   Brewer   observations   at   Hohenpeis­ senberg, Germany, and Rix et al., [2012], report  good   comparisons   between   GOME­2/Metop­ A measurements and ground­based findings at  Valentia,   Ireland   for   the   May   2010   events.  Here, we show comparisons over de Bilt, The  Netherlands,   one   of   the   few   European   loca­ tions   that   where   substantial   plume   drifted  over. III. RESULTS In Figure 1 the SO2 column amount of the three  algorithms is compared for May 23rd  2011;  the  SO2 column amounts are gridded on a regular  grid of 0.25 x 0.25 deg latitude/longitude to ac­ count for the differences in footprint. Note that  this   is   the   first   time   the   different   retrieval  schemes   and   findings   are   compared   as   such.  The   ULB/IASI   results   are   shown   on   the   left,  the Oxford/IASI in the middle and the BIRA­ IASB/GOME­2   in   the   right   column.   No   cut­ offs/flags   were   used   as   part   of   a   quality  screening   of   the   data   since   such   a   screening  eliminates pixels with high SO2 amounts in the  central denser part of the plume. For aviation  applications, such a strict quality control is not  needed, as long as SO2 is reliably detected. The  results   shown   are   very   promising   with   all  three algorithms capturing quite well both the  magnitude of the loading as well as the central  location of the plume to the NW of Iceland and  its dispersion over the North Atlantic Sea. For  the 190 common grids between the Oxford and  ULB/IASI   results,   the   mean   SO2  loading   esti­ mated by the Oxford algorithm is 14.32±25.14  D.U. and by the ULB algorithm at 11.76±16.60  D.U.   with   a   correlation   coefficient   of   0.85   for  the two algorithms. For the 232 common grids  between   the   BIRA­IASB/GOME­2   and   the  ULB/IASI   results,   the   mean   SO2  loading   esti­ mated   by   GOME­2   is  9.06±14.33   D.U.   and   by  IASI   10.96±15.15   D.U.   with   a   correlation   of  0.64.   For   the   173   common   grids   between   the  BIRA­IASB/GOME­2 and the Oxford/IASI re­ sults, the mean GOME­2 loading is 10.97±15.68  D.U. and the mean IASI loading is 16.52±28.60  D.U. with a correlation of 0.64. In Figure 2 the  SO2 plume height estimated for the 23rd of May  2011 from the IASI and GOME­2 observations  is shown. All three retrievals show a well­de­ fined plume, setting off in a westerly direction  over   Iceland   before   rising   North­   and   East­ 3 ANNALS OF GEOPHYSICS, Fast Track 2, 2014 wards, resembling an arm over the Arctic Sea.  Since   for   small   amounts   of   SO2,   there   is   not  enough information inherent in the measured  spectra in order to retrieve an independent al­ titude   value,   the   resultant   height   values   will  tend   towards   the   a   priori   values.   For  Oxford/IASI   the   retrieval   is   performed   in   a  pressure   grid   and   the   plume   height   a   priori  values is set to 400mbars (~6km) and the a pri­ ori   error   to   1000   mbars.   In   the   BIRA­ IASB/GOME­2 algorithm the a priori height er­ ror   was   set   to   5km   and   so   any  a   posteriori   height error value that approaches the  a priori  error   levels   signifies   non­dependable   detec­ tion. No screening was applied to either IASI  data whereas a minimum  amount of four de­ grees of freedom was permitted for the BIRA­ IASB/GOME2results in order to signify mean­ ingful   plume   height   detection.     As   can   be  noted in the Figure, significant differences ex­ ist   among   the   IASI   and   the   GOME­2   assess­ ments of the plume height. In numbers, for the  173 common grids,  the mean GOME­2 plume  height is found at 7.15±0.84 km and the mean  Oxford/IASI plume height at 8.82±2.0 km; for  the   232   common   points,   the   mean   GOME­2  plume height is at 7.12±0.95 km and the mean  ULB/IASI height at 9.40±1.44 km. For the com­ parison between the two IASI algorithms, the  190 points provide a mean ULB/IASI height of  9.00±2.00 km and the Oxford/IASI of 8.17±2.64  km with a good correlation of R­squared 0.62.  The agreement between the two algorithms is  valid for the entire European domain and not  solely on the location of the maximum plume  load and height. In Figure 3, the comparisons  between   satellite   and   ground­based   SO2  amounts  in   the   days  before,   during   and   after  the  Eyjafjallajökull  2010   events   [grey   shaded  areas] are shown for the De Bilt Brewer spec­ trophotometer   in   The   Netherlands.   The   Ox­ ford/IASI product is shown in the left plot and  the   ULB/IASI   product   in   the   right.   The  ground­based   daily   mean   Brewer   data   are  shown   in   red,   the   instantaneous   daytime  [nighttime]   satellite   observations  in   light   blue  [light   green]   and   the   satellite   daily   mean   in  black. Since only four co­locations were found  for   the   BIRA­IASB/GOME­2   within   a   200km  radius   and   no   time   imposition,   only   the   two  IASI comparisons are presented. The compari­ son   is   quite   good   for   the   two   IASI   products  with   the   levels   rising   equivalently   between  satellite and ground data for the highly loaded  days after the eruption, reaching daily maxima  around   2­3   D.U.,   well   above   instrumental  noise.  IV. DISCUSSION In this paper, a few representative examples of  the   validation   activities  performed   within   the  SACS­2/SMASH,   European   Space   Agency  project  have  been  presented.  SO2  column   loa­ ding and plume height extracted   using three  different algorithms analysing Metop­A obser­ vations by the IASI and GOME­2 instruments  during the 15 to 26 April 2010 and 4 to 20 May  2010,   Eyjafjallajökull,   Iceland,   eruptions   and  the 23rd of May 2011, Grímsvötn, Iceland, erup­ tion are shown.  4 ANNALS OF GEOPHYSICS, Fast Track 2, 2014 Figure 1: Estimated total atmospheric SO2 load over Europe on May 23rd 2011 as seen by the ULB/IASI algorithm   [left], the Oxford/IASI algorithm [middle] and the BIRA­IASB/GOME­2 algorithm [right]. Figure 2: Estimated total SO2 plume height over Europe on May 23rd 2011 as deduced by the ULB/IASI algorithm   [left], the Oxford/IASI algorithm [middle] and the BIRA­IASB/GOME­2 algorithm [right]. Taking   into   consideration   substantial   differ­ ences   in   instrumentation,   algorithm,  wavelength   range,   spatiotemporal   resolution,  and so on, the three algorithms are providing  consistent   results   depicting   well   the   central  plume   location   as   well   as   its   dispersive   pat­ terns.   A   highly   satisfactory   agreement,   with  correlations ranging between 0.64 and 0.85, is  found for the comparisons of the SO2  loading  during   the   chosen   Grímsvötn   day;   the   plume  height concordance provides a far greater chal­ lenge   with   the   two   IASI   algorithms   agreeing  adequately   both   in   location   and   in   height,  however   the   GOME­2   results   show   a   more  uniform plume  height across the domain  and  also   seem   not   to   be   able   to   depict   the   plume  height   near   the   source.   The   IASI/MetopA  comparisons with a ground­based station in de  Bilt,   The   Netherlands,   are   also   promising   but  would benefit greatly from a far larger statist­ ical   sample   during   a   stronger   eruptive   occa­ sion.  We hence conclude that all three Metop­ A SO2  products are mature enough to be used  in a satellite volcanic monitoring system with  possible   improvements.   As   a   side   note,   it   is  equally  important  to  assess  whether  SO2  may  act   as   proxy   for   volcanic   ash   during   volcanic  eruptions for an early warning system to pre­ vent   planes   from   potential   encounters   with  volcanic   plumes,   sometimes   not   the   case   sev­ eral   hours   after   an   eruption   [Thomas   and  Prata, 2011.]  REFERENCES [Brenot   et   al.,   2014]   Brenot,   H.,   et   al.,   (2014),  Support   to   Aviation   Control   Service   (SACS):  an   online   service   for   near­real­time   satellite  5 ANNALS OF GEOPHYSICS, Fast Track 2, 2014 monitoring   of   volcanic   plumes,   Nat.   Hazards  Earth Syst. Sci., 14, 1099­1123.  [Carboni, et al., 2012] Carboni, E., et al., (2012),  A   new   scheme   for   sulphur   dioxide   retrieval  from   IASI   measurements:   application   to   the  Eyjafjallajökull eruption of April and May 2010  Atmos. Chem. Phys., 12, 11417­11434. Figure 3: Total SO2 load over De Bilt, The Netherlands.   Details in the text.  [Clarisse, et al., 2014] Clarisse, L., et al. (2014),  The 2011 Nabro eruption, a SO2  plume height  analysis   using   IASI   measurements.   Atmos.  Chem. Phys., 14, 3095­3111. [Clerbaux,   et   al.,   2009]   Clerbaux,   C.,   et   al.  (2009), Monitoring of atmospheric composition  using   the   thermal   infrared   IASI/MetOp  sounder, Atmos. Chem. Phys., 9, 6041­6054. [Fioletov,   et   al.,   1998]   Fioletov,   V.   E.,   et   al.  (1998), Influence of volcanic sulfur dioxide on  spectral UV irradiance as measured by Brewer  Spectrophotometers,   Geophys.   Res.   Let.,   25,  (10), 1665­1668.  [Flentje,   et   al.,   2010]   Flentje,   H.,   et   al.   (2010),  The   Eyjafjallajökull   eruption   in   April   2010   –  detection of volcanic plume using in­situ mea­ surements,  ozone  sondes and  lidar­ceilometer  profiles, Atmos. Chem. Phys., 10, 10085­10092. [Kerr and Davis, 2007] Kerr, J. B., and Davis J.  M. (2007), New methodology applied to deriv­ ing   total   ozone   and   other   atmospheric   vari­ ables   from   global   irradiance   spectra,   J.   Geo­ phys. Res., 112, D21301. [Koukouli. et al., 2014] Koukouli, M. E., et al.  (2014),  SACS­2/SMASH  Validation  Report  on  the  Eyjafjallajökull  &  Grímsvötn  Eruptions,  http://sacs.aeronomie.be/Documentation/in­ dex.php, last accessed: January 23th, 2015. [Lerot, et al., 2010] Lerot, C., et al. (2010), The  GODFIT algorithm: a direct fitting approach to  improve the accuracy of total ozone measure­ ments from GOME,  Int. J. Remote Sensing, 31,  543­550. [Munro,   et   al.,   2006]   Munro,   R.,   et   al.  (2006):  GOME­2 on MetOp, in: Proc. of The 2006 EU­ METSAT   Meteorological   Satellite   Conference,  Helsinki, Finland, EUMETSAT, p. 48, ISBN 92­ 9110­076­5. [Rix, et al., 2012] Rix, M., et al. (2012), Volcanic  SO2, BrO and plume  height estimations using  GOME­2   satellite   measurements   during   the  eruption of Eyjafjallajökull in May 2010, J. Geo­ phys. Res., 117. [Spinetti, et al., 2014] Spinetti, C., et al. (2014),  Volcanic   SO2  by   UV­TIR   satellite   retrievals:  validation   by   using   ground­based   network   at  Mt. Etna, Annals of Geophysics, this issue. [Thomas   and   Prata,   2011]  Thomas,   H.E.   and  Prata,   A.   J.   (2011),   Sulphur   dioxide   as   a  volcanic ash proxy during the April–May 2010  eruption   of   Eyjafjallajökull   Volcano,   Atmos.  Chem. Phys., 11, 6871–6880. 6