home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NASA Global Data Sets for…phere Models 1987 - 1988 / NASA Global Data Sets for Land-Atmosphere Models 1987 - 1988 - Disc 1.iso / overview.doc < prev    next >
Text File  |  1995-06-19  |  73KB  |  1,326 lines

  1.  
  2.              AN OVERVIEW OF THE ISLSCP* INITIATIVE I GLOBAL DATA SETS
  3.  
  4.  
  5.                        P.J. Sellers(1), B.W. Meeson(2),
  6.                                  J. Closs(3)
  7.                                 J. Collatz(1)
  8.                                 F. Corprew(3)
  9.                                 D. Dazlich(4)
  10.                                  F.G. Hall(1)
  11.                                  Y. Kerr(5)
  12.                                 R. Koster(6)
  13.                                   S. Los(7)
  14.                                 K. Mitchell(8)
  15.                                  J. McManus(3)
  16.                                   D. Myers(3)
  17.                                  K.-J. Sun(3)
  18.                                    P. Try(9)
  19.  
  20.  
  21. 1.  NASA/GSFC, Code 923, Greenbelt, MD  20771
  22. 2.  NASA/GSFC-DAAC, Code 902.2, Greenbelt, MD  20771
  23. 3.  NASA/GSFC, HSTX, Code 902.2 Greenbelt, MD  20771
  24. 4.  Colorado State University, Fort Collins, CO  80523
  25. 5.  LERTS - BPI, Toulouse Cedex, 31055, France
  26. 6.  NASA/GSFC, Code 974, Greenbelt, MD  20771
  27. 7.  NASA/GSFC, SSAI, Code 923, Greenbelt, MD  20771
  28. 8.  NOAA/NMC, Camp Springs, MD  20746
  29. 9.  International GEWEX Project Office, Washington, DC 20024
  30.  
  31.  
  32. * International Satellite Land Surface Climatology Project
  33.  
  34.  
  35.                                          ABSTRACT
  36.  
  37. In June of 1992, an interdisciplinary Earth Science workshop was convened
  38. in Columbia, Maryland, to assess recent progress in land-atmosphere research,
  39. specifically in the areas of models, satellite data algorithms, and field
  40. experiments.  At the workshop, representatives of the land-atmosphere modeling
  41. community stated that they had a need for global data sets to prescribe
  42. boundary conditions, initialize state variables, and provide near-surface
  43. meteorological and radiative forcings for their models.  The data sets
  44. collated on these CDs represent a first attempt to meet this need.
  45.  
  46. The data sets on the CDs are grouped under the following headings: Vegetation;
  47. Hydrology and Soils; Snow, Ice, and Oceans; Radiation and Clouds; and Near-
  48. Surface Meteorology. 
  49.  
  50. All data sets cover the period 1987-1988, and all but a few are spatially
  51. continuous over Earth's land surface.  All have been mapped to a common 1
  52. deg. x 1 deg. equal-angle grid.  The temporal frequency for most of the data
  53. sets is monthly.  A few of the near-surface meteorological parameters are
  54. available both as 6-hourly values and as monthly means.
  55.  
  56.  
  57. 1.0  BACKGROUND:  The Motivation for Assembling the Initiative I Data Sets
  58.  
  59. A workshop sponsored by the International Satellite Land Surface Climatology
  60. Project (ISLSCP), a component of the Global Energy and Water Cycle Experiment
  61. (GEWEX), was held in Columbia, Maryland, June 23 to 26, 1992, with over 240
  62. scientists and science managers attending.  The goal of the workshop was to
  63. assess recent progress in the areas of modeling, satellite data algorithm
  64. development, and field experiments.  An account of the workshop and many of
  65. the scientific presentations made there are written up in a special issue of
  66. the journal Remote Sensing of the Environment, 51, (1), 1995, so only a brief
  67. summary of the workshop's discussions and recommendations is given here.
  68.  
  69. 1.1  MODELS
  70.  
  71. The first part of the workshop was spent in reviewing the goals and
  72. requirements set by different kinds of land-atmosphere models.  For
  73. convenience, the models were categorized by time scale into three broad
  74. groups, see Sellers et al.(1995) and Figure 1.
  75.  
  76.      Water-Energy-Carbon:  These models are used to calculate the exchanges
  77.      of water, energy, and carbon (photosynthesis and respiration) between
  78.      the land surface and the atmosphere on relatively short time scales, on
  79.      the order of seconds to seasons, see Dickinson (1995) and Bonan (1995).
  80.      The models are used on small spatial scales for hydrological and
  81.      agricultural studies; on the global scale, they are used to define the
  82.      lower boundary fluxes for atmospheric general circulation models (GCMs)
  83.      in which they are usually referred to as land surface parameterizations
  84.      (LSPs).  The more realistic biophysically-based LSPs implemented within
  85.      GCMs over the last decade have been shown to produce better simulations
  86.      of energy and water fluxes over the continents and thus should give rise
  87.      to improved numerical weather prediction and climate simulations, see
  88.      Betts et al. (1994), Noilhan et al. (1991) and Sato et al. (1989).  All
  89.      of these models have suffered from two general weaknesses.  First, it was
  90.      not clear that the descriptions of important flux-controlling processes,
  91.      e.g., heat and moisture transfer within the vegetation-soil-atmosphere
  92.      system could be credibly transferred from models and observations tested
  93.      or conducted at very small scales to the scales of LSP-GCMs.  Second, no
  94.      generally acceptable methods were available to define the global state of
  95.      vegetation and soil moisture for initialization or validation of the LSP-
  96.      GCMs.
  97.  
  98.      Carbon and Biogeochemistry:  The models appropriate to studies of carbon
  99.      and biogeochemistry (BGC) span intermediate time scales, on the order of
  100.      days to several years, see Schimel (1995) and Field et al. (1995).  The
  101.      important processes covered by these models include primary production,
  102.      carbon allocation, decomposition, nutrient cycling and relations to the
  103.      physical climate system (upstream), and ecosystem structure and function
  104.      (downstream).  It has been suggested that perturbations to the
  105.      terrestrial carbon cycle, specifically imbalances between photosynthesis
  106.      and respiration which would lead to carbon sink and source anomalies, may
  107.      play important roles in the rate and timing of atmospheric carbon dioxide
  108.      increases over the next few decades, see Tans et al. (1990).  This class
  109.      of models suffers from many of the same kind of handicaps as the Water
  110.      Energy-Carbon models discussed above; in particular, global forcing
  111.      (atmospheric conditions) and surface state (photosynthetic capacity,
  112.      carbon storage in the soil, etc.) data are not freely available.
  113.  
  114.      Ecosystem Structure and Function:  These models have a large overlap with
  115.      the carbon and BGC models but span a wider range of time scales; most of
  116.      these models have time steps on the order of months to years and are run
  117.      to describe ecological processes over periods of years to millennia, see
  118.      Bonan (1995).  In large part, the models are forced by  climate data, but
  119.      data on soil physical and chemical properties, topography, etc., are also
  120.      used as boundary conditions.  Obviously, all data pertaining to land
  121.      cover type phenology, biomass, etc., are useful for initializing and
  122.      validating these models.
  123.  
  124. The three classes of models described above originate from different
  125. scientific motivations and to a large extent from different science
  126. communities.  However, they will all be essential for the study of Global
  127. Change and they all suffer from similar deficiencies, namely:
  128.  
  129.   (i)  Scaling:  All of the models suffer from the so-called scale gap to
  130.        varying degrees.  The results from small-scale process studies are
  131.        usually combined with very simple aggregation assumptions to describe
  132.        regional-scale processes and surface-atmosphere exchanges.
  133.  
  134.  (ii)  Data Needs:  Very few reliable, consistent, large-scale data sets exist
  135.        in accessible form for the purposes of initialization and validation of
  136.        these models on regional or global scales.
  137.  
  138. In the first ISLSCP meetings of 1983 and 1984, it was hoped that a combination
  139. of large-scale field experiments and a stream of satellite data products would
  140. be used to deal with these two issues.  Research work conducted within and
  141. parallel to the field experiments was to lead to improved algorithms which
  142. would then be used to generate better regional and global data sets.  The 1992
  143. ISLSCP workshop reviewed the state of the algorithms and the contribution of
  144. the field experiments to these goals.
  145.  
  146. 1.2  ALGORITHMS
  147.  
  148. Satellite data algorithms that deal with land surface studies have been
  149. developed piecemeal under the aegis of the responsible government agencies.
  150. In 1987, an ISLSCP workshop reviewed the status of the algorithms, see Sellers
  151. et al. (1990) for a summary, and concluded that:
  152.  
  153.   (i)  Algorithms were available to calculate many of the important surface
  154.        and atmospheric state variables required by modelers.
  155.  
  156.  (ii)  Few of the algorithms had been thoroughly evaluated with regard to
  157.        accuracy and precision.
  158.  
  159. (iii)  There was a lot of room for improvement in the algorithms in terms of
  160.        calibration, geometric correction, and cloud screening procedures.
  161.  
  162.  (iv)  Few of the algorithms had been tested sufficiently or were innately
  163.        robust enough for routine operational use.
  164.  
  165. The 1992 workshop noted that there had been some progress in algorithm
  166. development over the period 1987-1992, particularly in the area of the Earth
  167. radiation budget work.
  168.  
  169. 1.3  FIELD EXPERIMENTS
  170.  
  171. The ISLSCP field experiments and parallel activities performed by the World
  172. Climate Research Program (WCRP), the International Geosphere-Biosphere Program
  173. (IGBP), and other organizations were designed to address the issues described
  174. in Section 1.1 above.
  175.  
  176. The results from several experiments, including FIFE, HAPEX-Mobilhy and
  177. others were presented and discussed at the meeting.  In broad summary, the
  178. principal findings were as follows:
  179.  
  180.   (i)  Scaling Issues:  The problems of scaling soil-vegetation-atmosphere
  181.        models from local scales up to several kilometers do not appear to be
  182.        as severe as originally feared.  This point was reemphasized at a joint
  183.        ISLSCP-BAHC (BAHC; Biological Aspects of the Hydrological Cycle - an
  184.        element of IGBP) workshop held in Tucson, Arizona, in March 1994, which
  185.        focused specifically on scaling.  A number of studies presented at the
  186.        workshop indicated that the radiative transfer and mass and heat
  187.        transport models used to describe processes on the scale of individual
  188.        plants or small plots could be used to calculate large-scale (10-50 km)
  189.        surface-atmosphere fluxes to acceptable accuracies using relatively
  190.        simple spatial-aggregation techniques.  In some of these studies,
  191.        explicit checks were made on the accuracy of these methods using a
  192.        variety of surface and airborne instruments to cover the scale range
  193.        from a few centimeters out to several kilometers.
  194.  
  195.  (ii)  Use of Satellite Data:  The field experiments sponsored by ISLSCP and
  196.        other organizations involved the collection of integrated data sets,
  197.        which allowed end-to-end evaluation of procedures for calculating
  198.        surface state parameters from exoatmospheric radiances.  It was found
  199.        that several components of the surface radiation budget (insolation,
  200.        downward photosynthetically active radiation (PAR), reflected
  201.        shortwave) could be estimated from sensors on geostationary platforms
  202.        to good accuracy and that useful estimates of downward longwave and net
  203.        radiation could also be calculated.  Satellite data were used to
  204.        calculate surface biophysical parameters, including the fraction of
  205.        photosynthetically active radiation absorbed by the green portion of
  206.        the vegetation canopy (FPAR), unstressed stomatal conductance and
  207.        photosynthetic capacity.  These parameters have been used in simulation
  208.        models to calculate the surface-atmosphere fluxes of carbon and water.
  209.        Significantly, the remote sensing methodologies, the parameters, and
  210.        the models themselves have been shown to be largely scale-invariant.
  211.        This indicates that the local-scale models tested on the field
  212.        experiment scale could be combined with large-scale satellite data sets
  213.        to produce continental-scale fields of energy and mass (water and
  214.        carbon dioxide) fluxes.
  215.  
  216. The field experiments succeeded in dealing with the two major issues that
  217. framed their design.  The next task was to take the lessons learned from the
  218. experiments and apply them to improve models and to generate better data sets.
  219. It can be argued that the modeling community directly benefited from the work:
  220. several off-line models and at least three operational GCMs currently utilize
  221. formulations that are based on field experiment results.  However, it is also
  222. clear that the experimental results were only occasionally used to help
  223. generate improved large-scale data sets from satellite data.
  224.  
  225. 1.4  THE NEED FOR GLOBAL DATA SETS
  226.  
  227. It was concluded at the 1992 workshop that the communities working on model
  228. development and on past and planned field experiments had their activities in
  229. hand.  However, it was made clear that the availability and accessibility of
  230. global data sets for land-atmosphere models were unsatisfactory.
  231.  
  232. Each modeling group reaffirmed the need for global data sets for
  233. initialization and boundary conditions, forcing, and validation, see Figure 2.
  234. The stated intention was to thoroughly test the surface models independent of
  235. atmospheric models, which cannot be relied on to provide realistic forcings,
  236. so as to highlight the components of the land models that need attention.
  237. Figure 2 shows the roles of the different data required to do this task.
  238. These are summarized below:
  239.  
  240.   (i)  Surface Boundary Conditions:  Land cover type and associated
  241.        biophysical attributes, including FPAR, leaf area index, roughness
  242.        length, albedo, etc., are all necessary to specify the state and
  243.        activity of vegetation in the models.  Soils, snow cover and ice data
  244.        are needed by hydrological submodels.
  245.  
  246.  (ii)  Forcings:  Near-surface meteorological conditions (temperature,
  247.        humidity, wind speed), radiation fluxes and precipitation are needed by
  248.        almost all land-atmosphere models.  Many of the energy-water-carbon
  249.        models require that the diurnal cycle be resolved in these data and
  250.        that the precipitation forcing be divided into convective and large-
  251.        scale fractions.
  252.  
  253. (iii)  Fluxes:  The energy-water-carbon and biogeochemistry models calculate
  254.        the land-atmosphere exchanges of energy, water, carbon, and trace
  255.        constituents and changes in equivalent storage quantities within the
  256.        vegetation-soil system.  For example, land surface parameterizations in
  257.        GCMs typically produce time-series of evapotranspiration, soil
  258.        moisture, snow and ice storage, and runoff.  With the exception of some
  259.        satellite-derived surface radiation budget data sets, there are no
  260.        truly global data sets available that can be used to continuously
  261.        validate the output from these models; the communities have to make do
  262.        with temporally and spatially sparse surface-atmosphere flux data sets,
  263.        which are mainly derived from field experiment data, and a few runoff
  264.        records.
  265.  
  266. Within this framework, each modeling group prepared its own prioritized list
  267. of data sets.  When these were analyzed and compared, it was found that there
  268. was a large overlap in the stated requirements.  Table 1 lists the
  269. consolidated data needs as prioritized across the three working groups at the
  270. workshop.  At the time, these high priority data sets were perceived to be
  271. unavailable or inaccessible to the modeling community.  Specifically;
  272.  
  273.   (i)  Operational meteorological agencies generate streams of 4-dimensional
  274.        data assimilation (4DDA) products, including near-surface meteorology,
  275.        radiation fluxes, soil moisture fields, etc., but the required
  276.        information specified by the working groups was expensive and difficult
  277.        to extract from the product archives.
  278.  
  279.  (ii)  Very few satellite-based data products were actually available.
  280.  
  281. (iii)  Other data sets based on surface survey work (soils, topography,
  282.        runoff were available but required considerable further analysis or
  283.        reduction to make them directly useful to the modelers.
  284.  
  285. With regard to data accessibility, it was thought that with some effort the
  286. situation could be greatly improved.  In most cases, such as the 4DDA
  287. products, soils information, topography, etc., it was thought to be more a
  288. question of institutions deciding to take on the job and committing resources
  289. to see it through, rather than the solution of difficult technical problems.
  290.  
  291. The situation with respect to data availability was different:  archives of
  292. satellite data certainly existed in the form of instrument counts,
  293. exoatmospheric radiances, or in some cases atmospherically-corrected surface
  294. radiances.  In only a handful of cases, for example the International
  295. Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) cloud products and the Earth
  296. Radiation Budget Experiment (ERBE) surface (clear-sky) albedo products, were
  297. there global fields of surface or atmospheric parameters.  For some of the
  298. satellite-based products specified in Table 1 (vegetation, incident PAR,
  299. insolation), the raw satellite data existed but the processing had not been
  300. carried through to the production of global data sets of physical or
  301. biophysical parameters.  However, most of the necessary tools and materials
  302. for undertaking such a project were available at the time of the workshop:
  303. the data existed, many of the algorithms had been developed and tested using
  304. field experiment data, and the required data product list was defined.  What
  305. was required was an initiative to bring all of these things and the
  306. appropriate scientific expertise together to actually produce the global data
  307. sets.  It was repeatedly pointed out that huge resources had been expended by
  308. agencies to design and launch satellite instruments, collect and archive the
  309. observations, and conduct the necessary investigations to understand and use
  310. the data.  The final step, applying recent scientific experience to produce
  311. global data sets of useful and usable parameters, was a clear priority and
  312. would be relatively cheap to execute, but had been done in only a few cases.
  313. These general assessments formed the basis for some specific recommendations.
  314.  
  315. 1.5  WORKSHOP RECOMMENDATIONS
  316.  
  317. Three initiatives were put forward by the workshop.  These cover the immediate
  318. generation of global data sets, the improvement of methodologies and
  319. algorithms for follow-on data sets, and the improvement of communications
  320. between different elements of the Land Science community.  These are discussed
  321. in turn below.
  322.  
  323. INITIATIVE I.  Immediate Generation of High Priority Global Data Sets
  324.  
  325. The original 1992 workshop recommendation is restated more or less verbatim
  326. here.  "It is proposed that some essential global data sets could be put
  327. together within 2 years, i.e., by the summer of 1994, and released to the
  328. community.  Existing or planned data management systems should be involved in
  329. this effort from the beginning.  The data sets are listed in order of priority
  330. in Table 1 and are shown schematically in Figure 2.  The workshop made the
  331. following recommendations for the four areas of vegetation, hydrometeorology,
  332. radiation, and soils.
  333.  
  334. Vegetation:  Global, monthly data sets of vegetation-related parameters should
  335. be generated at good spatial resolution 1(00 x 100 km or better is preferred)
  336. and monthly time resolution.  The available AVHRR data should be used as the
  337. basis of this effort and algorithms applied to calculate fields of cover type,
  338. phenology, FPAR and leaf area index.
  339.  
  340. Hydrometeorology:  Near-surface meteorological data sets should be extracted
  341. from the 4-dimensional data assimilation (4DDA) streams generated by
  342. operational meteorological agencies.  Specifically, near-surface temperature,
  343. humidity, wind vector, surface temperature, soil moisture content, radiation
  344. components and precipitation should all be saved.  Temporal resolution should
  345. be sufficient to resolve the diurnal cycle (preferably four or more reports
  346. per day).
  347.  
  348. A number of institutions hold archives of rainfall data.  A gridded product
  349. (100 x 100 km or better) is required with monthly time resolution and some
  350. information, direct or indirect, on the proportion of convective to large-
  351. scale precipitation.  Runoff data is stored at the Global Runoff Data Center
  352. (GRDC) in Germany -- these data should be processed to yield mm/day numbers
  353. (monthly means) for selected large catchments.  This data subset would be of
  354. more direct use to modelers.
  355.  
  356. Snow and ice data are collated by NOAA and NASA in the U.S. and also by
  357. Canadian and Russian operational agencies, largely from analyses of optical
  358. satellite data and in situ observations.  The temporal resolution of the data
  359. should be sufficient to resolve weather-related changes in snow extent.
  360.  
  361. Radiation:  There is a strong desire to have many components of the surface
  362. radiation budget available at resolutions down to 50 x 50 km, although it is
  363. clear the community could do good work with coarser resolution (250 x 250 km)
  364. products.  Again, the temporal resolution should be sufficient to resolve the
  365. diurnal cycle.  ISCCP holds data sets on insolation and longwave fluxes on a
  366. 250 x 250 km grid.  The continuing ERBE work provides surface albedo estimates
  367. and net surface shortwave radiation fluxes on the same scale.
  368.  
  369. Soils, Soil Moisture, and Topography:  Global soils data sets with
  370. quantitative even if only best-guess, soils physics and soils chemistry
  371. information are needed.  Soil texture, depth, porosity, mineralogy, and pH
  372. fields are required by some water-energy-vegetation and most biogeochemistry
  373. modelers.  A data set could be quickly generated based on the Food and
  374. Agricultural Organization (FAO) global 1 deg. x 1 deg. data base and
  375. supporting or related information.
  376.  
  377. Soil moisture information is very useful for validating all classes of models
  378. It was recommended that the soil moisture remote sensing community be tasked
  379. with producing some global or regional products from existing sources, such as
  380. in situ observations and spaceborne microwave sensors (e.g., SSM/I), even if
  381. this turns out to give only qualitative spatial and temporal patterns of soil
  382. moisture climatology, rather than precise information at a single point under
  383. ideal retrieval conditions.  (These patterns would be very useful for checking
  384. 4DDA fields and other soil moisture estimates).
  385.  
  386. Good topographic data sets are available but not easily accessible.  Every
  387. effort should be made to extract the best available product from the U.S.
  388. Geological Survey (USGS) or the Defense Mapping Agency (DMA).
  389.  
  390. This recommendation framed ISLSCP Initiative I.  After the 1992 workshop, an
  391. ad hoc ISLSCP Science Steering Committee supported by staff at NASA GSFC
  392. worked to put together a mutually consistent collection of data sets that
  393. would meet the needs expressed in Table 1.  This effort has resulted in the
  394. issue of this collection of CDs, the contents of which are summarized in
  395. section 2.  In large part, these data sets satisfy the requirements stated in
  396. Table 1, except for those specifying soil chemical properties, which hopefully
  397. will be addressed by elements of IGBP, and topography, which is being handled
  398. by a team at EROS Data Center as part of the Earth Observing System (EOS)
  399. project.  It should be noted that, as requested, all the data were reformatted
  400. to a common 1 deg. x 1 deg. grid and cover the same period, 1987-1988.
  401.  
  402. The Initiative I CDs should be an invaluable resource for initializing,
  403. forcing, and validating all three classes of land models, see Figure 2.  One
  404. example; the International Geosphere-Biosphere Project (IGBP) may use the CDs
  405. as a baseline initial condition and meteorological forcing data set for a
  406. global carbon model intercomparison exercise.  Another example; the data on
  407. the CDs will be used to force offline versions of land surface
  408. parameterizations (LSPs) to calculate more realistic global fields of
  409. hydrological variables including; evapotranspiration, soil moisture, runoff,
  410. etc.  This last project is sponsored by GEWEX-ISLSCP and IGBP-BAHC.  Besides
  411. these and similar applications, the data set will provide a strong starting
  412. position for global studies that will help the Land Science community prepare
  413. for the Earth Observing System data stream.
  414.  
  415. INITIATIVE II. Improved, Follow-On Data Sets
  416.  
  417. The data sets specified in Initiative I were generated over a 2 year period
  418. i.e., with existing data and the available robust and simple algorithms.  The
  419. resulting products go some way toward satisfying the immediate needs of the
  420. modelers and will exercise every aspect of the data-algorithm-modeler pipeline
  421. as well as (hopefully) a data system or two en route.  However, it is clear
  422. that great improvements could be made over this first data release, mainly in
  423. the areas of temporal coverage, algorithm improvement, and validation.  ISLSCP
  424. Initiative II has the aim of releasing an improved set of global data in 1997,
  425. which should cover the period 1986-1995.
  426.  
  427. INITIATIVE III.  Improved Communications Within the Land Science Community
  428.  
  429. The workshop highlighted the extent to which related research thrusts can
  430. become separated from each other even when it is obvious that there are strong
  431. mutual scientific interests at stake.  It was recognized that top-down
  432. coordination by management could provide only part of the answer.  It is
  433. equally important to provide regular forums where the different communities
  434. discuss their areas of overlap on a scientist-to-scientist basis.  It was
  435. observed that many recent workshops had drifted into within-discipline
  436. discussions (e.g., wish-list writing, experiment design, etc.) with little
  437. time to focus on the so-called bottleneck issues (e.g., implementation of
  438. algorithms to produce global data sets, incorporation of late-developing model
  439. needs into experiment design, etc.).  Clearly, these cross-cutting issues need
  440. explicit attention.
  441.  
  442.  
  443. 2.0  ASSEMBLING THE INITIATIVE I GLOBAL DATA SETS
  444.  
  445. 2.1  SPECIFICATION OF THE PROPERTIES OF THE DATA SET
  446.  
  447. The workshop recommendations for Initiative I provided the starting point for
  448. the collection, compilation and documentation of the global data sets
  449. necessary to satisfy the requirements summarized in Table 1 and section 1.5.
  450. Immediately after the 1992 workshop, a team at NASA GSFC started to
  451. communicate with possible sources of the required data and worked to define
  452. the form of the final product.
  453.  
  454. The previous section mentioned that modelers were frequently hampered by the
  455. need to match up incongruent data sets, a task that not only wastes time but
  456. can also inject artifacts into the data so that model-to-model comparisons
  457. become less exact, depending on the type and number of regridding or
  458. interpolation operations performed on the original data.  Initiative I
  459. specified the need for uniform data sets, which is interpreted to mean that
  460. the data sets should have as far as possible the same spatial and temporal
  461. resolutions, time period, and area of coverage (i.e., no spatial or temporal
  462. gaps) and be supported by uniform documentation.  In principle, it should be
  463. possible to operate a land-atmosphere model continuously over the entire
  464. spatial and temporal domain of the data without encountering problems, such as
  465. missing data, in the process.  Similarly, it should be possible to select any
  466. grid point and access all the necessary data to initialize and force a land-
  467. surface model over the period covered by the data set.  To satisfy these
  468. requirements, the data should be spatially and temporally uniform and
  469. contiguous, and should also be uniform "vertically"; that is, a common spatial
  470. resolution allows for the 'stacking' of different data sets over the same grid
  471. area, which makes for much easier 1-dimensional model operation.  Taking Table
  472. 1 as a basis, the team surveyed available data sources and decided on the
  473. following attributes for the final products.
  474.  
  475. Spatial Resolution:  All data were obtained or were regridded to a single 1
  476. deg. x 1 deg. equal-angle grid. The sides of each grid box are specified by
  477. integer latitude/longitude lines.  A single land mask was applied to all the
  478. data.
  479.  
  480. The regridding procedure was very simple: a 1 deg. x 1 deg. grid was laid over
  481. the source data field and area-weighted averages of the values falling within
  482. each new grid square were calculated.  No smoothing or other interpolation
  483. procedures were applied to the data except where data were missing, in which
  484. case simple interpolation schemes were used.  These schemes are described in
  485. detail in the data set documentation on the CDs.
  486.  
  487. Temporal Resolution:  The temporal resolutions of the data sets are nested to
  488. resolve the diurnal and seasonal cycles as appropriate, see Table 2.  The
  489. forcing data sets--near-surface meteorology, radiation, and precipitation--are
  490. provided as 6-hourly values so that the diurnal cycle is resolved as requested
  491. by the energy-water-carbon modelers.  Most of the other data sets are monthly
  492. (e.g., vegetation attributes) or fixed (e.g., soil type).  Some of the
  493. shortwave radiation data are presented as diurnally resolved, monthly means;
  494. that is, for each month, eight mean radiation fields are provided at 3-hourly
  495. GMT intervals: 0000Z, 0300Z, 0600Z and so on.
  496.  
  497. Spatial Coverage:  With a few well-documented exceptions (runoff, snow cover
  498. and depth, and some of the radiation products), all the data are spatially
  499. continuous over the specified land mask.  In some cases, this meant that data
  500. sets had to be interpolated spatially so as to prevent leaving holes; when
  501. this was done, a mask showing which data points were synthesized was
  502. generated.  The objective was to provide a reliable data set that would allow
  503. continuous operation of land-atmosphere models without having to invoke
  504. complex procedures to deal with null data points.  The exceptions are
  505. represented by data sets that are to be used for validation rather than model
  506. operation.
  507.  
  508. Temporal Coverage:  The initial requirement was for 1 year's worth of data.
  509. This was extended to 2 years to provide some notion of interannual
  510. variability.  It was decided to choose contiguous years for ease of model
  511. operation.  The period 1987-1988 was selected, as it covers a period when many
  512. of the source data sets were simultaneously available and also covers wet
  513. (1987) and dry (1988) summer conditions in North America.
  514.  
  515. Formatting and Documentation:  A variety of data formatting options were
  516. considered.  It was finally decided that in order to ensure the easiest and
  517. widest possible use of the data, all of the data sets would be represented as
  518. simple ASCII files.  Each global field starts at 90 deg. N, 180 deg. W and is
  519. read 360 grid cells toward the east before dropping down a row to start again
  520. at 89 deg. N, 180 deg. W; in other words, the data read like written text from
  521. the North pole and dateline southward.  Data at very high latitudes are
  522. usually meaningless due to the small areas involved; in these cases, the grid
  523. cells are filled by replicating values from adjacent cells.  Nulls in the data
  524. sets are represented by negative nines which are specified at the same
  525. numerical resolution as the data; e.g., the null for a 3 digit number is -999.
  526.  
  527. The documentation follows a consistent format across all the data sets, see
  528. Table 3.  This has obvious advantages; after a short learning process, the
  529. user can easily target specific sections to get the desired information on any
  530. of the data sets.  The documentation is also fairly detailed so that the user
  531. is not directed to external sources of information except for really indepth
  532. material on sensors or analysis techniques.  References are provided.
  533.  
  534. 2.2  COMPILATION OF THE DATA SETS
  535.  
  536. The data sets are organized into the following categories on the CD.
  537.  
  538.      Vegetation: Land Cover and Biophysics
  539.      Hydrology and Soils
  540.      Snow, Ice, and Oceans
  541.      Radiation and Clouds
  542.      Near-Surface Meteorology
  543.  
  544. The subsections below briefly review the contents of each of these data
  545. categories, further information can be found in the documentation accompanying
  546. each data set.
  547.  
  548. 2.2.1  VEGETATION: Land Cover and Biophysics (Table 2A)
  549.  
  550. The basis for this data set is the Normalized Difference Vegetation Index
  551. (NDVI) data set calculated from AVHRR data by Los et al. (1994) following the
  552. work of Tucker et al. (1986).  These data were already in the form of a 1 deg.
  553. x 1 deg. monthly composited NDVI data set; i.e., no further single channel
  554. data or geometric information were available at the time.  Some simple
  555. procedures were used to fill in gaps in the data set, and crude corrections
  556. were made to account for the effects of solar angle and persistent clouds to
  557. make the temporally and spatially continuous FASIR-NDVI product, see Sellers
  558. et al. (1994).  The FASIR-NDVI data were used to create fields of FPAR, leaf
  559. area index, and greenness, which in turn were used to calculate monthly snow-
  560. free albedo and surface roughness fields, see Sellers et al. (1994).  The
  561. land/sea mask associated with these data sets was adopted as the standard for
  562. masking the other data placed on the CD.
  563.  
  564. All of these operations, starting with the production of the FASIR-NDVI
  565. fields, require some assumptions about land cover type.  DeFries and Townshend
  566. (1994) analyzed NDVI data to specify the distribution of land cover types for
  567. the world.  This classification map was used to apply vegetation cover-
  568. specific algorithms for the calculation of the higher order products listed in
  569. Table 2A.  The documentation for this data set also includes parameter values
  570. associated with each vegetation type as used in the SiB2 model of Sellers et
  571. al. (in prep.).
  572.  
  573. Soil background fields had to be specified as lower boundary conditions for
  574. the calculation of the snow-free albedo in Table 2A.  For the most part,
  575. background (soil or litter layer) reflectances were assigned values typical of
  576. each vegetation type, as specified in DeFries and Townshend (1994), in the
  577. same way as was done by Dorman and Sellers (1989).  However, this procedure
  578. resulted in some problems in sparsely-vegetated regions so ERBE data were used
  579. to estimate surface reflectances in desert areas between 45 deg. S and 45 deg.
  580. N, see Sellers et al. (1994).
  581.  
  582. Last, the documentation for this data set includes parameter values associated
  583. with each vegetation type as used in the SiB2 model of Sellers et al. (in
  584. prep.).
  585.  
  586. 2.2.2  HYDROLOGY AND SOILS (Table 2B)
  587.  
  588. The Global Precipitation Climatology Project (GPCP) reanalyzed their archive
  589. of surface rain gauge data to produce a 1 deg. x 1 deg. monthly precipitation
  590. product for 1987-1988.  The standard land/sea mask was applied by the
  591. publication group at NASA GSFC, see Figure 3.  The Global Runoff Data Center
  592. (GRDC) contributed monthly river runoff rate data for 14 basins together with
  593. information on the location of the gauges and the catchment area upstream of
  594. the gauge.  The percentage of each 1 deg. x 1 deg. grid area covered by lakes,
  595. rivers, and marshes was obtained from data published by Cogley (1991).
  596.  
  597. The Food and Agricultural Organization (FAO) archive on soil properties has
  598. been extensively scrutinized by researchers at the University of Arizona
  599. (Sorooshian, Amer), NASA GSFC (Koster) and at NASA GISS (Zobler).  These
  600. analyses were combined to create consistent global fields of soil texture,
  601. depth, and slope.
  602.  
  603. 2.2.3  SNOW, ICE AND OCEANS (Table 2C)
  604.  
  605. NOAA NESDIS provides a weekly analysis of Northern Hemisphere snow cover from
  606. optical satellite data; the analyses are done by hand.  Robinson (pers. comm.)
  607. of Rutgers University provided these data after regridding them to 1 deg. x 1
  608. deg.  The U.S. Air Force assembles a monthly snow depth map based on a variety
  609. of sources including satellite data and in situ measurements carried out at
  610. reporting airfields.  The NOAA National Meteorological Center (NMC) provided
  611. analyses of sea ice cover and sea surface temperature at monthly time
  612. resolution at the required 1 deg. x 1 deg. resolution.  The land/sea mask was
  613. then applied at GSFC.  Last, a fine resolution map of the land-ocean boundary
  614. was provided by the National Center for Atmospheric Research (NCAR) based on
  615. data collated by the U.S. Navy.
  616.  
  617. Global monthly fields of sea surface temperature (SST) and sea ice
  618. concentration were also included in the data set in response to requests from
  619. GCM modelers who wished to have a complete set of surface boundary conditions
  620. on the CD.
  621.  
  622. 2.2.4  RADIATION AND CLOUDS (Table 2D)
  623.  
  624. Pinker and Laszlo of the University of Maryland processed the satellite data
  625. analyses held in the ISCCP archive, see Schiffer and Rossow (1985), to create
  626. five global radiation products.  The 2.5 deg. x 2.5 deg. ISCCP data were used
  627. to generate estimates of the surface and top of the atmosphere (TOA) incident
  628. and upwelling shortwave fluxes.  In addition, the surface downwelling PAR flux
  629. was also calculated.  These estimates were generated every 3 hours based on
  630. GMT observing times, i.e., 0000Z, 0300Z, 0600Z, etc.  To reduce the noise in
  631. their products, Pinker and Laszlo averaged the observations for each 3-hour
  632. period by month to produce a mean diurnal cycle of eight (monthly-averaged)
  633. values for each month in 1987-1988.  NASA LaRC used a similar methodology to
  634. generate monthly means (not diurnally resolved) of surface incident and net
  635. shortwave and longwave radiation, and net radiation, see Darnell et al.
  636. (1992).
  637.  
  638. The ISCCP group at NASA GISS generated a series of cloud parameters from
  639. analyses of the ISCCP C2 satellite data archive.  These include cloud amount,
  640. cloud top pressure, cloud optical thickness, and cloud water paths, see Rossow
  641. et al. (1991) and Rossow and Schiffer (1991).
  642.  
  643. The ERBE S4 clear-sky albedo product was generated from composites of
  644. satellite data, see Barkstrom et al. (1990).  These data are provided as
  645. monthly means and do not extend beyond the solar terminator.  They are likely
  646. to be dubious in persistently cloudy areas.
  647.  
  648. All the products described above were originally generated on a 2.5 deg. x 2.5
  649. deg. equal-area grid, which was reprocessed at NASA GSFC onto the 1 deg. x 1
  650. deg. grid used by ISLSCP, see Figure 3.  However, the standard land/sea mask
  651. was not applied to any of these data sets.  The diurnally resolved data of
  652. Pinker and Laszlo had some 'holes' in it due to gaps in some of the
  653. geostationary satellite data records used to create the ISCCP product.  These
  654. "holes" were patched using a simple temporal interpolation technique that made
  655. use of solar angle information; the patched areas are flagged in the final 1
  656. deg. x 1 deg. product.  Some of the NASA GISS cloud product fields are also
  657. discontinuous; in particular, there are gaps close to and a complete lack of
  658. data above the solar terminator for some of the fields.
  659.  
  660. The radiation and clouds data are intended to be used as follows.  The
  661. University of Maryland and NASA LaRC products are useful for forcing models;
  662. these are probably the best current estimates that we have for global surface
  663. radiation fluxes.  We have further used these data in combination with GCM
  664. output to synthesize estimates of the downwelling shortwave and longwave
  665. fluxes every 6 hours, see next section.  The ISCCP cloud products may be
  666. useful for testing atmospheric radiation models.  The ERBE clear-sky albedo
  667. product may be useful for validating model-generated fields, in particular the
  668. effects of snow when combined with the snow-free albedo fields described in
  669. section 2.2.1. (Table 2A).
  670.  
  671. 2.2.5  NEAR-SURFACE METEOROLOGY (Table 2E)
  672.  
  673. The bulk of the near-surface meteorological products on the CD were extracted
  674. from the ECMWF operational forecast analysis archive.  The data set consists
  675. of time-series of meteorological variables at 6-hourly intervals (0000Z,
  676. 0600Z, 1200Z, 1800Z) and monthly 6-hourly averages of these and many other
  677. diagnostic and prognostic variables.  The meteorological variables that are
  678. required to force land-atmosphere models with resolved diurnal cycles were
  679. extracted from this stream:  surface pressure, air temperature, dew point, and
  680. wind speed (magnitude). It was also desired to have incident shortwave and
  681. longwave radiation fluxes and precipitation rates, preferably broken into
  682. large-scale and convective components, at the same 6-hourly temporal
  683. resolution.  However, the ECMWF output did not contain precipitation rates,
  684. and their radiation flux estimates were thought to be biased due to a
  685. systematic underestimation of cloud cover by the model version used to
  686. generate these products.  To fill the gap, the NASA GSFC team generated hybrid
  687. radiation products:  the time-series of ECMWF estimates of surface shortwave
  688. and longwave fluxes were used to divide up the NASA LaRC satellite-based
  689. monthly radiation fluxes into 6-hourly intervals.  This resulted in the
  690. synthesis of 6-hourly incident shortwave and longwave fluxes that add up to
  691. match the NASA LaRC monthly means.  A similar procedure was used at NMC by
  692. Mitchell to generate 6-hourly estimates of precipitation.  Six-hourly total
  693. and convective precipitation fields from the 4DDA-based NMC Reanalysis Project
  694. (Kalnay and Jenne, 1991) were used to partition the observed monthly GPCP
  695. precipitation products into 6-hourly time series of estimated total and
  696. convective precipitation, wherein the total precipitation added up to match
  697. the GPCP monthly totals.  In this procedure, a screening was applied, based on
  698. the FGGE daily rainfall data, following Liston et al. (1993), to better
  699. reproduce the observed frequency of measurable daily rainfall.  All of this
  700. effort has resulted in a temporally and spatially consistent meteorological
  701. forcings data set with a 6-hourly timestep, see Table 2E(iii).
  702.  
  703. These quantities, and some others that were held on the ECMWF record at 6-
  704. hourly resolution, were processed to provide monthly 6-hourly mean products
  705. and statistics, see Table 2E(ii).  Of particular interest are the ECMWF-
  706. generated estimates of the surface radiation and heat fluxes.
  707.  
  708. Monthly mean fields and associated statistics of some of the prescribed or
  709. initial fields of surface boundary conditions used by ECMWF are listed in
  710. Table 2E(i).  These fields were generated from a variety of sources (see the
  711. documentation) and are not recommended as initialization or boundary condition
  712. fields for current modelers; they are provided as information to help users
  713. understand what assumptions were made in generating the forcing fields in
  714. Table 2E(iii).  For example, the ECMWF snow-free albedo field is based on the
  715. products of Dorman and Sellers (1989), which are thought to be less accurate
  716. than the satellite-data based products described in Section 2.2.1.
  717.  
  718. All the ECMWF fields were converted from grid cell corner point values to
  719. values representative of the entire (ECMWF) grid cell; these were then
  720. converted to the ISLSCP 1 deg. x 1 deg. grid and the land/sea mask was
  721. applied, see Figure 3.
  722.  
  723. In summary, a combination of products from operational meteorological agencies
  724. (ECMWF and NMC); satellite-data based radiation estimates (NASA LaRC); and
  725. global surface rain gauge analyses (GPCP) have been used to generate time-
  726. series of the required near-surface model forcings for the period 1987-1988 at
  727. a 6-hourly time resolution.  These are supported by a range of ancillary time-
  728. averaged quantities that may be useful for forcing models that run on a
  729. monthly timestep.
  730.  
  731. 2.3  PEER REVIEW
  732.  
  733. A peer review process was organized by Kerr and Meeson to ensure the quality
  734. of the data and documentation to be placed on the CDs.  In the first stage,
  735. the documentation was reviewed by individuals familiar with the data sets but
  736. not directly involved in writing the documentation.  The intent of this review
  737. was twofold; first, to provide a "second opinion" and second, to ensure the
  738. accuracy and clarity of the documentation.  The reviewers were asked to
  739. identify subtle as well as major inaccuracies or gaps that only someone
  740. familiar with the data set would know.  To provide a uniform and consistent
  741. review of the documents, a set of document review guidelines and a response
  742. form were drafted and sent with the documents to all document reviewers.
  743. Comments or corrections received from these reviewers were addressed and
  744. incorporated into documentation before it moved on to the second stage of the
  745. review procedure.
  746.  
  747. In the second stage, reviewers were sent both the revised documentation and
  748. the data, and were asked to examine them using a common set of criteria.
  749. These criteria focused on the identification of errors or inaccuracies within
  750. the data and related documentation.  The reviewers were selected for their
  751. general familiarity with the type of data that they were to review.  This
  752. stage of the review process was completed in two workshops that focused on the
  753. mutual consistency of the data sets and documentation.  The findings of these
  754. workshops and the individual data reviews are summarized in the paper of Kerr
  755. et al., also reproduced on this CD.
  756.  
  757.  
  758. 3.0  SUMMARY
  759.  
  760. The Initiative I data sets should provide modelers with many of the fields
  761. required to prescribe boundary conditions, and to initialize and force a wide
  762. range of land-biosphere-atmosphere models.  All of the data have been
  763. processed to the same spatial resolution (1 deg. x 1 deg.), using the
  764. same land/sea mask and steps have been taken to ensure spatial and temporal
  765. continuity of the data.  The data sets cover the period 1987-1988 at 1-monthly
  766. time resolution for most of the seasonally varying quantities and at 6-hourly
  767. resolution for the near-surface meteorological and radiative forcings.
  768.  
  769. ISLSCP Initiative II aims to improve on this effort by covering a longer time
  770. period (1986-1995), at higher spatial resolution (0.5 deg. x 0.5 deg.), using
  771. superior data sources and algorithms where possible.  In addition, GEWEX-
  772. ISLSCP and other organizations, for example IGBP-BAHC, are pursuing approaches
  773. for collating validation data sets to check the Initiative II data sets at a
  774. few times and places embedded within these global data sets.
  775.  
  776.  
  777.                                REFERENCES
  778.  
  779. Barkstrom, B.R., E.F. Harrison, and R.B. Lee (1990). Earth Radiation Budget
  780. Experiment, preliminary seasonal results. EOS Transactions. American
  781. Geophysical Union. 71, February 27.
  782.  
  783. Betts, A.K., J.H. Ball, A.C.M. Beljaars, M.J. Miller, and P.Viterbo (1994).
  784. Coupling between land-surface boundary-layer parameterizations and rainfall on
  785. local and regional scales:  Lessons from the wet summer of 1993. Fifth
  786. Conference on Global Change Studies:  Amer. Meteor. Society Proceedings. 74th
  787. Annual Meeting, Nashville, TN, Jan. 23-28, 1994.
  788.  
  789. Bonan, G.B. (1995). Land-atmosphere interactions for climate system models:
  790. Coupling biophysical, biogeochemical, and ecosystem dynamical processes. Rem.
  791. Sens. Env. 51:1:57-73.
  792.  
  793. Cogley, J.G. (1991). GGHYDRO-global hydrographic data, release 2. Available
  794. from the author at Trent University, Ontario, CANADA.
  795.  
  796. Darnell, W.L., W.F. Staylor, S.K. Gupta, N.A. Ritchey, and A.C. Wilber (1992).
  797. Seasonal variation of surface radiation budget derived from ISCCP-C1 data. J.
  798. Geophys. Res. 97:15741-15760.
  799.  
  800. DeFries, R.S., and J.R.G. Townshend (1994). NDVI-derived land cover
  801. classification at global scales. I. J. of Remote Sensing. 15:17:3567-3586.
  802.  
  803. Dickinson, R.E. (1995). Land processes in climate models. Rem. Sens. Env.
  804. 51:1:27-38.
  805.  
  806. Dorman, J.L., and P.J. Sellers (1989). A global climatology of albedo,
  807. roughness length, and stomatal resistance for atmospheric general circulation
  808. models as represented by the Simple Biosphere Model (SiB). J. Appl. Met.
  809. 28:9:833-855.
  810.  
  811. Field, C.B., C.M. Malmstrom, J.T. Randerson (1995). Ecosystem net primary
  812. production:  combining ecology and remote sensing. Rem. Sens. Env. 51:1:74-88.
  813.  
  814. Kalnay, E., and R. Jenne (1991). Summary of the NMC/NCAR reanalysis. Bull.
  815. Amer. Meteor. Soc. 72:897-1904.
  816.  
  817. Liston, G.E., Y.C. Sud, and G. Walker (1993). Design of a global soil moisture
  818. initialization procedure for the Simple Biosphere model. NASA Tech. Memo.
  819. 104590. Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD.
  820.  
  821. Los, S.O., C.O. Justice, and C.J. Tucker (1994). A 1 deg. x 1 deg. global NDVI
  822. data set for climate studies derived from the GIMMS continental NDVI data. I.
  823. J. of Remote Sensing. 15:3493-3518.
  824.  
  825. Noilhan, J., P. Bougeault, B. Bretl, and P. LaCarrere (1991). An example of
  826. spatial integration of a land surface parameterization in meso-beta scale
  827. model. In Land Surface Evaporation. Eds Schmugge and Andre. Springer-Verlag,
  828. New York. 383-402.
  829.  
  830. Rossow, W.B., L.C. Garder, P.J. Lu, and A. Walker (1991). International
  831. Satellite Cloud Climatology Project (ISLSCP):  Documentation of cloud data.
  832. Tech. Doc. WMO/TD-No. 266 (revised). World Meteorological Organization.
  833. Geneva. 76 p. plus three appendices.
  834.  
  835. Rossow, W.B., and R.A. Schiffer (1991). ISCCP cloud data products. Bull. Amer.
  836. Meteor. Soc. 72:2-20.
  837.  
  838. Sato, N., P.J. Sellers, D.A. Randall, E.K. Schneider, J. Kinter III, J.
  839. Shukla, Y-T Hou, and E. Albertazzi (1989). Effects of implementing the simple
  840. biosphere model (SiB) in a general circulation model. J. Atmos. Sci.
  841. 46:18:2757-2782.
  842.  
  843. Schiffer, R.A., and W.B. Rossow (1985). ISCCP Global Radiance Data Set.  A new
  844. resource for climate research. Bull. Am. Meteorol. Soc. 66:1498-1505.
  845.  
  846. Schimel, D.S. (1995). Terrestrial biogeochemical cycles: Global estimates with
  847. remote sensing. Rem. Sens. Env. 51:1:49-56.
  848.  
  849. Sellers, P.J., D.A. Randall, C.J. Collatz, J.A. Berry, C.B. Field, D.A.
  850. Dazlich, C. Zhang, and G.D. Collelo (in prep.). A revised land surface
  851. parameterization (SiB2) for atmospheric GCMs.  Part 1: Model formulation.
  852. Submitted to J. of Climate.
  853.  
  854. Sellers, P.J., B.W. Meeson, F.G. Hall, G. Asrar, R.E. Murphy, R.A. Schiffer,
  855. F.P. Bretherton, R.E. Dickinson, R.G. Ellingson, C.B. Field, K.F. Huemmrich,
  856. C.O. Justice, J.M. Melack, N.T. Roulet, D.S. Schimel, and P.D. Try (1995).
  857. Remote sensing of the land surface for studies of global change: Models-
  858. algorithms-experiments. Rem. Sens. Env. 15:1:3-26.
  859.  
  860. Sellers, P.J., S.O. Los, C.J. Tucker, C.O. Justice, D.A. Dazlich, G.J.
  861. Collatz, and D.A. Randall (1994). A global 1 deg. x 1 deg. NDVI data set for
  862. climate studies.  Part 2: The generation of global fields of terrestrial
  863. biophysical parameters from the NDVI. I. J. Remote Sensing. 15:7:3519-3545.
  864.  
  865. Sellers, P.J., S.I. Rasool, and H-J. Bolle (1990). A review of satellite data
  866. algorithms for studies of the land surface. Bull. Amer. Met. Soc. 71:10:1429-
  867. 1447.
  868.  
  869. Tans, P.P., I.Y. Fung, and T. Takahashi (1990). Observational constraints on
  870. the global atmospheric carbon dioxide budget. Science. 247:1431-1438.
  871.  
  872. Tucker, C.J., I.Y. Fung, C.D. Keeling and R.H. Gammon (1986). Relationship
  873. between atmospheric carbon dioxide variations and a satellite-derived
  874. vegetation index. Nature. 319:195-199.
  875.  
  876.  
  877.                                ACKNOWLEDGMENTS
  878.  
  879.  
  880. Many people and organizations worked hard to turn Initiative I into a reality.
  881.  
  882. First, special thanks are due to Ghassem Asrar of NASA Headquarters; David
  883. Schimel of CSMP; TERRA Laboratory, a consortium of the USDA's Agriculture
  884. Resource Service (Steve Rawling and Don DeCoursey); the USDA's Forest Service
  885. (Doug Fox); and the USGS (Ray Watts) for providing financial support for the
  886. 1992 ISLSCP Workshop that started the activity.  The bulk of the funding came
  887. from the EOS program at NASA HQ.  Dr. Asrar is particularly thanked for his
  888. unflagging moral support of this effort from start to finish.
  889.  
  890. Next, financial support for the data compilation and production phase of the
  891. CDs was provided by Drs. Bob Murphy and Tony Janetos of NASA HQ.
  892. Encouragement was provided by the chair of WCRP-GEWEX, Dr. Moustafa Chahine
  893. and the Director of WCRP, Dr. Pierre Morel.  All are warmly thanked.  The
  894. support of NASA Headquarters, Office of Mission to Planet Earth, the
  895. Operations, Data and Information Systems Division, and the Science Division
  896. are gratefully acknowledged.  The authors would also like to thank the EOS-
  897. DIS, Goddard Distributed Active Archive Center (GSFC-DAAC) for their support
  898. of this work.
  899.  
  900. In addition to review work done by the authors, the data sets and
  901. documentation were reviewed by volunteers in the community: Nigel Arnell,
  902. Lahouari Bounoua, Peter Briggs, Gerard Dedieu, Bob Dickinson, Han Dolman, John
  903. Gash, Barry Goodison, Fred Huemmrich, Alfredo Huete, John Janoviak, Jenny
  904. Lean, Jean-Claude Menaut, Joel Noilhan, Michael Raupach, Chet Ropelewski, Bill
  905. Rossow, Steve Running, T.R.E. Thompson, Anne Walker, Ivan Wright, YongKang
  906. Xue.
  907.  
  908. In many cases, the donors of the data sets gave up a great deal of their time
  909. in addition to the data sets; all are thanked for the help.  The list of
  910. individuals includes:
  911.  
  912. Vegetation:  Land Cover and Biophysics
  913.        Jim Tucker, Chris Justice, Sietse Los, Piers Sellers, Don Dazlich, Jim
  914.        Collatz, Nazmi El Saleous, Ruth DeFries, John Townshend, Ed Harrison.
  915.  
  916. Hydrology and Soils
  917.        Wolfgang Grabs, Arnold Gruber, J.G. Cogley, Saud Amer, Soroosh
  918.        Sorooshian, Leonard Zobler, Norman Bliss, Dan Braithwaite, Randy 
  919. Koster,
  920.        Bruno Rudolf, Udo Schneider, Paul Try.
  921.  
  922. Snow, Ice and Oceans
  923.        Dudley Foster, David Robinson, Jay Wright, Richard Reynolds, Bob
  924.        Grumbine.
  925.  
  926. Radiation and Clouds
  927.        Rachel Pinker, Istvan Laszlo, Wayne Darnell, Charles Whitlock, Bruce
  928.        Barkstrom, Ed Harrison, Bill Rossow, Bob Schiffer, Chris Brest, W. F.
  929.        Staylor.
  930.  
  931. Near-Surface Meteorology
  932.        Tony Hollingsworth, Horst Bottger, Ken Mitchell, Ying Lin.
  933.  
  934. The organizations who own or sponsored the collation of the data are listed in
  935. the data documentation and on the cover of the CDs.  Special mention goes to
  936.  
  937.     NASA GSFC Branches 923 and 974; NASA GSFC DAAC 902.2;
  938.  
  939.     WCRP-GEWEX elements: GRDC, GPCP, ISCCP; and IGBP-BAHC;
  940.  
  941.     Universities:  Maryland, Arizona, Trent, Rutgers;
  942.  
  943.     Scientific Research Centers:  NOAA NMC, ECMWF, NASA GISS, NASA LaRC, USAF
  944.                                   ETAC, EROS Data Center, USGS.
  945.  
  946. The ISLSCP Steering Committee are warmly thanked for putting up with many
  947. reviews of the progress of the CDs and for providing valuable guidance to the
  948. Initiative I team throughout the long process of assembling the data sets.
  949. The steering committee and invited experts included:   Nigel Arnell, Dennis
  950. Baldocchi, Alan Betts, Josef Cihlar, Ray Desjardins, Robert Dickinson, Chris
  951. Field, Barry Goodison, Forrest Hall, Chris Justice, Pavel Kabat, Yann Kerr,
  952. Nobuo Sato, Jerry Melillo, Carlos Nobre, John Norman, Michael Raupach, Steve
  953. Running, Piers Sellers, Jim Shuttleworth, Soroosh Sorooshian, Jim Wallace;
  954. (ex-officio) Ichtiaque Rasool, John Townshend, Moustafa Chahine, Jim Dodge,
  955. Paul Try, Ghassem Asrar, Tony Janetos, Bob Murphy, Bob Schiffer, Mike
  956. Coughlan, Pierre Morel.
  957.  
  958. Thanks go to Dawn Erlich for arranging ISLSCP meeting logistics.  Last but by
  959. no means least, thanks go to Laura Blasingame and Valerie McElroy for typing
  960. and editing this paper.
  961.  
  962.  
  963.  
  964.                                       ACRONYMS
  965.  
  966. 4DDA        4-Dimensional Data Assimilation
  967.  
  968. ASCII       American Standard Code for Information Interchange
  969. AVHRR       Advanced Very High Resolution Radiometer
  970.  
  971. BAHC        Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle (IGBP Core Project)
  972. BGC         Biogeochemistry
  973.  
  974. CD          Compact Disc
  975. CD-ROM      Compact Disc-Read Only Memory
  976. CSMP        Climate Simulation Modeling Project
  977.  
  978. DAAC        Distributed Active Archive Center
  979. DMA         Defense Mapping Agency
  980.  
  981. ECMWF       European Center for Medium-Range Weather Forecasts
  982. EOS         Earth Observing System
  983. ERBE        Earth Radiation Budget Experiment
  984. ERS-1       European Research Satellite-1
  985. ESA         European Space Agency
  986.  
  987. FASIR       Fourier-Adjusted, Solar Zenith Angle Corrected, Interpolated and
  988.                Reconstructed Data
  989. FAO         Food and Agriculture Organization (UN)
  990. FGGE        First GARP Global Experiment
  991. FIFE        First ISLSCP Field Experiment
  992. FPAR        Fraction of PAR Absorbed by the Vegetation Canopy
  993.  
  994. GCM         General Circulation Model (of the Atmosphere)
  995. GEWEX       Global Energy and Water Cycle Experiment
  996. GISS        Goddard Institute for Space Studies (NASA)
  997. GOES        Geostationary Operational Environmental Satellite
  998. GMT         Greenwich Mean Time
  999. GPCP        Global Precipitation Climatology Project
  1000. GRDC        Global Runoff Data Center
  1001. GSFC        Goddard Space Flight Center (NASA)
  1002.  
  1003. HAPEX       Hydrology-Atmosphere Pilot Experiment
  1004.  
  1005. IGBP        International Geosphere-Biosphere Project
  1006. IGBP-DIS    IGBP-Data and Information System
  1007. ISCCP       International Satellite Cloud Climatology Project
  1008. ISLSCP      International Satellite Land Surface Climatology Project
  1009.  
  1010. JMA         Japanese Meteorological Agency
  1011.  
  1012. LAI         Leaf Area Index
  1013. LaRC        Langley Research Center (NASA)
  1014. LSP         Land Surface Parameterization
  1015.  
  1016. NASA        National Aeronautics and Space Administration
  1017. NCAR        National Center for Atmospheric Research
  1018. NDVI        Normalized Difference Vegetation Index
  1019. NESDIS      NOAA Environmental Satellite Data and Information Service
  1020. NMC         National Meteorological Center
  1021. NOAA        National Oceanic and Atmospheric Administration
  1022.  
  1023. PAR         Photosynthetically Active Radiation
  1024.  
  1025. SAR         Synthetic Aperture Radar
  1026. SPOT        Systeme Probatoire pour L'Observation de la Terre
  1027. SRB         Surface Radiation Budget
  1028. SSM/I       Special Sensor Microwave Imager
  1029. SST         Sea Surface Temperature
  1030.  
  1031. TOMS        Total Ozone Mapping Spectrometer
  1032.  
  1033. UN          United Nations
  1034. USGS        United States Geological Survey
  1035.  
  1036. WCRP        World Climate Research Program
  1037.  
  1038.  
  1039. TABLE 1:  RECOMMENDATIONS FROM THE 1992 ISLSCP WORKSHOP
  1040.  
  1041.     Consolidated, Prioritized Data Needs Across the Science Areas:
  1042. Water-Energy-Carbon, Biogeochemistry, Ecological Structure and Function
  1043.  
  1044. -----------------------------------------------------------------------------|
  1045.     DATA    | DOMAIN |    RESOLUTION    |   SOURCE   |        ACTION         |
  1046.             |        |------------------|            |                       |
  1047.    FIELDS   |        |SPATIAL |TEMPORAL |METHODOLOGY |                       |
  1048. ------------|--------|--------|---------|------------|-----------------------|
  1049. Vegetation  |Regional|50x50 km|Monthly  |(1) AVHRR   |(1) Use an existing    |
  1050. (Cover type,|   and  |  to    |         |(2) Landsat,|AVHRR product for now. |
  1051. Phenology,  | Global | 1x1 km |         |    SPOT    |(2) Support 1x1 km land|
  1052. disturbance,|        |        |         |            |surface data set       |
  1053. LAI, FPAR,  |        |        |         |            |effort.                |
  1054. etc.)       |        |        |         |            |(3) Revitalize efforts |
  1055.             |        |        |         |            |to correct data and    |
  1056.             |        |        |         |            |apply algorithms to    |
  1057.             |        |        |         |            |define biophysical     |
  1058.             |        |        |         |            |parameters.            |
  1059. ------------------------------------------------------------------------------
  1060. Near-Surface| Global |50x50 km|Diurnal  |NMC, ECMWF, |(1) Initiate work to   |
  1061. Meteorology |        |        |cycle,   |JMA;        |process 4DDA products  |
  1062.             |        |        |Monthly  |4DDA and    |into usable data sets. |
  1063.             |        |        |means    |observations|                       |
  1064. ------------------------------------------------------------------------------
  1065. Precipita-  | Global |100x100 |Monthly  |WCRP - GPCP,|(1) Implement NMC wkshp|
  1066.       tion  |        |   km   |means    |Operational |to analyze surface     |
  1067.             |        |        |and      |Met.        |network data.          |
  1068.             |        |        |selected |Agencies;   |(2) Check that the abv.|
  1069.             |        |        |days     |Surface data|is linked to WCRP-GPCP.|
  1070.             |        |        |         |Thermal IR  |(3) Provide resources  |
  1071.             |        |        |         |4DDA        |for gridding data if   |
  1072.             |        |        |         |            |necessary.             |
  1073. ------------------------------------------------------------------------------
  1074. Radiation   | Global | 250x250|Diurnal  |GOES,       |(1) Define interested  |
  1075. Fluxes      |        |   km   |cycle,   |METEOSAT,   |communities, dialogue  |
  1076. (SW & LW,   |        |   to   |Monthly  |ERBE, AVHRR,|with ISCCP.            |
  1077. incoming &  |        | 50x50km|means    |TOMS;       |(2) Check regressions  |
  1078. outgoing,   |        |        |         |ISCCP, ESA, |using Pathfinder data. |
  1079. PAR         |        |        |         |NASA        |(3) Validate against   |
  1080. incoming)   |        |        |         |analyses    |long-term data.        |
  1081. ------------------------------------------------------------------------------
  1082. Soil        | Global |100x100 | Once    |FAO product |(1) Assign soil physics|
  1083. Physics:    |        |  km    |         |& supporting|parameters to the FAO  |
  1084. Texture,    |        |  to    |         |material;   |soil descriptor fields |
  1085.  depth,     |        | 1x1 km |         |New         |for now.               |
  1086.  porosity   |        |        |         |initiatives,|(2) Support new        |
  1087. Chemistry:  |        |        |         |notably IGBP|initiative, and        |
  1088.  Mineralogy,|        |        |         |            |encourage early        |
  1089.  pH         |        |        |         |            |deliveries.            |
  1090. ------------------------------------------------------------------------------
  1091. Topography  |Global  |10x10 km| Once    |USGS, DMA,  |(1) Support efforts to |
  1092.             |        |to 1 km |         |ERS-1       |release all data from  |
  1093.             |        |or      |         |            |DMA                    |
  1094.             |        |better  |         |            |(2) Check across data  |
  1095.             |        |        |         |            |sets for consistency.  |
  1096. ------------------------------------------------------------------------------
  1097. Runoff      |Regional|Catchmnt| Monthly |Global      |(1) Strong encouragemnt|
  1098.             |   to   |grid    |         |Runoff Data |to GRDC in Germany,    |
  1099.             | Global |formats |         |Center      |enlist WMO support.    |
  1100.             |        |50x50 km|         |(GRDC) in   |(2) Encourage          |
  1101.             |        |        |         |Germany     |continuous updating of |
  1102.             |        |        |         |            |the data set; gridding |
  1103.             |        |        |         |            |and averaged products. |
  1104. ------------------------------------------------------------------------------
  1105. Snow and Ice|Regional|25x25 km| Monthly |NOAA, NASA, |(1) Apply existing     |
  1106.             |   to   |        |         |Russian, and|techniques.            |
  1107.             | Global |        |         |Canadian    |(2) Develop and apply  |
  1108.             |        |        |         |agencies;   |improved algorithms and|
  1109.             |        |        |         |SSM/I and   |international          |
  1110.             |        |        |         |surface     |communications links.  |
  1111.             |        |        |         |observations|(3) Investigate use of |
  1112.             |        |        |         |            |SAR.                   |
  1113. ------------------------------------------------------------------------------
  1114.  
  1115.  
  1116. TABLE 2:  DATA SETS ON THE CD; TEMPORAL RESOLUTIONS ARE GIVEN IN THE
  1117.           RIGHT-HAND COLUMN. 
  1118.  
  1119. Note:  (i)   "Monthly 3-hourly" refers to values that are monthly means of
  1120.              3-hourly data.  Thus, all the 0000Z values for a month are
  1121.              averaged into a single value, also the 0300Z values, etc.
  1122.  
  1123.        (ii)  The snow-free albedo data set in section A is based on NDVI
  1124.              fields and a model calculation, the albedo field in section D
  1125.              is based on ERBE data, and the fields in section E originate
  1126.              from a survey of in-situ work.
  1127.  
  1128.       (iii)  The documentation for the vegetation class data in section A
  1129.              includes vegetation morphological and physiological parameters
  1130.              associated with each vegetation type in the SiB2 model of
  1131.              Sellers et al. (in prep.).
  1132.  
  1133. A.  VEGETATION: LAND COVER AND BIOPHYSICS
  1134.     (NASA/GSFC, CSU, U. Maryland)
  1135.  
  1136.     NDVI, FASIR-NDVI                                            Monthly
  1137.     FPAR, LAI, Greenness                                        Monthly
  1138.     Surface roughness, snow-free albedo                         Monthly
  1139.  
  1140.     Background (soil/litter) reflectance (Vis, NIR)             Fixed
  1141.     Vegetation class                                            Fixed
  1142.  
  1143. B.  HYDROLOGY AND SOILS 
  1144.     (GPCP, GRDC, U. Arizona, Trent U., NCAR, FAO, NASA/GSFC, 
  1145.     NASA/GISS)
  1146.  
  1147.     Precipitation (GPCP)                                        Monthly
  1148.     River runoff (GRDC; 14 basins)                              Monthly
  1149.  
  1150.     Lake, river, marsh cover percentage                         Fixed
  1151.     Soil texture, depth, slope                                  Fixed
  1152.  
  1153. C.  SNOW, ICE AND OCEANS
  1154.     (NOAA/NESDIS, Rutgers U., USAF, NOAA/NMC, US Navy, NCAR)
  1155.  
  1156.     Snow cover; depth                                           Monthly
  1157.     Sea ice, SST                                                Monthly
  1158.  
  1159.     Land-ocean boundary                                         Fixed
  1160.  
  1161. D.  RADIATION AND CLOUDS
  1162.     (U. of Maryland, NASA/LaRC, ISCCP, NASA/GISS)
  1163.  
  1164.     Surface and TOA incoming and outgoing shortwave        Monthly 3-hourly 
  1165.     Surface incoming PAR fluxes                                 Monthly
  1166.     Surface incoming shortwave and longwave radiation fluxes    Monthly
  1167.     Surface net shortwave, net longwave, net radiation fluxes   Monthly
  1168.     Cloud amount, cloud top pressure,                           Monthly
  1169.     Optical thickness, water path                               Monthly
  1170.     Clear-sky albedo (ERBE)                                     Monthly
  1171.  
  1172. E.  NEAR-SURFACE METEOROLOGY
  1173.     (ECMWF, NASA/GSFC, NOAA/NMC, NASA/LaRC, GPCP)
  1174.  
  1175.     (i)  Prescribed/diagnostic fields 
  1176.  
  1177.     Soil moisture                                               Monthly
  1178.     Deep soil temperature and soil wetness                      Monthly
  1179.     Snow depth                                                  Monthly
  1180.     Albedo, surface roughness                                   Fixed
  1181.  
  1182.     (ii)  Monthly 6-hourly forcing fields
  1183.  
  1184.     Surface pressure, air temperature, dew point            Monthly 6-hourly
  1185.     Surface temperature                                     Monthly 6-hourly
  1186.     Mean sea level pressure                                 Monthly 6-hourly
  1187.     u, v wind speed and stress                              Monthly 6-hourly
  1188.     Surface sensible and latent heat fluxes                 Monthly 6-hourly
  1189.     Net surface and TOA shortwave, longwave fluxes          Monthly 6-hourly
  1190.  
  1191.     (iii)  Diurnally-resolved (6-hourly) forcing fields
  1192.  
  1193.     Surface pressure, air temperature, dew point, wind speed    6-hourly
  1194.     Hybrid longwave and shortwave incoming radiation fluxes     6-hourly
  1195.     Hybrid total precipitation and convective precipitation     6-hourly
  1196.  
  1197.  
  1198. TABLE 3.  STANDARDIZED DOCUMENTATION FORMAT FOR THE INITIATIVE I DATA SETS
  1199.  
  1200. 1.   TITLE
  1201.      1.1  Data Set Identification
  1202.      1.2  Data Base Table Name
  1203.      1.3  CD File Name
  1204.      1.4  Revision Date of This Document
  1205.  
  1206. 2.   INVESTIGATOR(S)
  1207.      2.1  Investigator(s) Name and Title
  1208.      2.2  Title of Investigation
  1209.      2.3  Contacts (for Data Production Information)
  1210.      2.4  Requested Form of Acknowledgment
  1211.  
  1212. 3.   INTRODUCTION
  1213.      3.1  Objective/Purpose
  1214.      3.2  Summary of Parameters
  1215.      3.3  Discussion
  1216.  
  1217. 4.   THEORY OF MEASUREMENTS 
  1218.  
  1219. 5.   EQUIPMENT
  1220.      5.1  Instrument Description
  1221.      5.2  Calibration
  1222.  
  1223. 6.   PROCEDURE
  1224.      6.1  Data Acquisition Methods
  1225.      6.2  Spatial Characteristics
  1226.      6.3  Temporal Characteristics
  1227.  
  1228. 7.   OBSERVATIONS
  1229.      7.1  Field Notes
  1230.  
  1231. 8.   DATA DESCRIPTION
  1232.      8.1  Table Definition With Comments
  1233.      8.2  Type of Data (Parameters, Units, Range)
  1234.      8.3  Sample Data Record
  1235.      8.4  Data Format
  1236.      8.5  Related Data Sets
  1237.  
  1238. 9.   DATA MANIPULATIONS
  1239.      9.1  Formulas
  1240.      9.2  Data Processing Sequence
  1241.      9.3  Calculations
  1242.      9.4  Graphs and Plots
  1243.  
  1244. 10.  ERRORS
  1245.      10.1  Sources of Error
  1246.      10.2  Quality Assessment
  1247.  
  1248. 11.  NOTES
  1249.      11.1  Known Problems With the Data
  1250.      11.2  Usage Guidance
  1251.      11.3  Other Relevant Information
  1252.  
  1253. 12.  REFERENCES
  1254.      12.1  Satellite/Instrument/Data Processing Documentation
  1255.      12.2  Journal Articles and Study Reports
  1256.      12.3  Archive/DBMS Usage Documentation
  1257.  
  1258. 13.  DATA ACCESS
  1259.      13.1  Contacts for Archive/Data Access Information
  1260.      13.2  Archive Identification
  1261.      13.3  Procedures for Obtaining Data
  1262.      13.4  Archive/Status/Plans
  1263.  
  1264. 14.  OUTPUT PRODUCTS AND AVAILABILITY
  1265.      14.1  Tape Products
  1266.      14.2  Film Products
  1267.      14.3  Other Products
  1268.  
  1269. 15.  GLOSSARY OF ACRONYMS
  1270.  
  1271.  
  1272. FIGURE 1.  IMPORTANT INTERACTIONS BETWEEN THE LAND BIOSPHERE AND THE
  1273.            ATMOSPHERE WITH RESPECT TO GLOBAL CHANGE**
  1274.            
  1275.   (A)  Influence of changes in the Physical Climate System on biophysical
  1276.        processes (Energy-Water-Carbon).  These may feed back to the atmosphere
  1277.        through changes in energy, heat, water, and carbon dioxide exchange
  1278.  
  1279.   (B)  Changes in nutrient cycling rates; release of carbon dioxide and
  1280.        methane from the soil carbon pool back to the atmosphere (Carbon and
  1281.        Biogeochemistry).
  1282.  
  1283.   (C)  Changes in biogeochemical processes and water and nutrient availability
  1284.        influence ecosystem structure and function.
  1285.  
  1286.   (D)  Change in ecosystem state results in changes in surface biophysical
  1287.        characteristics and biogeochemical process rates.
  1288.  
  1289. **  This figure is contained in the file named, OVERVIEW.FG1, and is located
  1290.     in the same directory as OVERVIEW.TXT.  This file is in PICT format and
  1291.     can be read by any PICT reader.
  1292.  
  1293.  
  1294. FIGURE 2.  SCHEMATIC SHOWING RELATIONSHIPS BETWEEN DIFFERENT KINDS OF
  1295.            ATMOSPHERIC AND LAND MODELS.***
  1296.  
  1297.            The Initiative I data sets are targeted at supplying the forcings,
  1298.            fluxes, and surface boundary conditions required to initialize,
  1299.            validate, or drive the land models in isolation from the
  1300.            atmospheric models.  Initiative I should be successful in meeting
  1301.            all these requirements except for global-scale mass and heat
  1302.            fluxes, for which observations only exist for a few places and
  1303.            times; for example, inlarge-scale field experiments.
  1304.            
  1305.     Note:  The "surface boundary conditions" box includes vegetation-dependent
  1306.            parameters that are derived from the fraction of photosynthetically
  1307.            active radiation absorbed by the green portion of the canopy (FPAR)
  1308.            or leaf area index (LAI).  These parameters are canopy PAR use
  1309.            parameter (p), the roughness length (zO), and the albedo (a).
  1310.  
  1311. ***  This figure is contained in the file named, OVERVIEW.FG2, and is located
  1312.      in the same directory as OVERVIEW.TXT.  
  1313.  
  1314.  
  1315. FIGURE 3.  SCHEMATIC SHOWING THE TREATMENTS AND RELATED DATA PROCESSING FLOW
  1316.            FOR EACH OF THE DATA SETS#
  1317.  
  1318.            The data processing flow for each of the data sets is indicated
  1319.            by a series of linked arrows each using a different pattern.  See
  1320.            the legend.
  1321.  
  1322. #    This figure is contained in the file named, OVERVIEW.FG3, and is located
  1323.      in the same directory as OVERVIEW.TXT.  This file is in PICT format and
  1324.      can be read by any PICT reader.
  1325.  
  1326.