Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-4184
Authors: Kremmling, Beke
Title: Investigation of photon path length distributions derived from oxygen A-band measurements of the GOSAT satellite instrument
Online publication date: 22-Aug-2018
Language: english
Abstract: Clouds in the atmosphere have different macroscopic shapes and microphysical characteristics, strongly influencing the photon trajectories of the incoming solar radiation. Reflection at the cloud top leads to a shortening of the photon path lengths while multiple scattering inside the cloud and reflections between different cloud clusters can significantly increase the path lengths. All these modifications affect the short-wave energy deposition of the atmosphere. Within this thesis, photon path length distributions of reflected sunlight and other cloud properties are retrieved from high spectral resolution satellite measurements of the oxygen A-band by performing comparative radiative transfer simulations. The measured radiances originate from the Fourier Transform Spectrometer TANSO-FTS onboard the GOSAT satellite. Radiative transfer simulations of different cloud scenarios are performed with the Monte Carlo model McArtim and compared to the measurements. The simulation output provides direct access to the scattering events, allowing the calculation of photon path length distributions. The comparison between measurement and simulation is achieved by means of an optimization procedure, which was developed within this thesis. The investigation is applied to selected measurements in presence of single layer clouds and one cloud system with multiple layers. For those cases, also collocated lidar measurements of CALIOP (CALIPSO) and radar measurements of CPR (CloudSat) are available. The cloud properties of the simulations, which agree best to the measurement, are compared to the collocated cloud profiles from CALIOP and CPR as well as to the cloud optical depths from TANSO-CAI (GOSAT). In general, the results show a reasonable agreement with the independent collocated measurements and the compared cloud optical depths agree well. From the comparison with the collocated cloud profiles, a systematic overestimation of the retrieved cloud top heights was found for the single layer cloud cases and an indication for an overestimation of the simulated O2 absorption in the order of 5-10%. In order to resolve this discrepancy, different sensitivity studies have been performed, evaluating the horizontal homogeneity of the cloud system and simulation input parameters like the O2 absorption cross sections and the asymmetry parameter. So far, no explanation for the observed discrepancy has been found. However, it is unlikely that it is caused solely by the simulation uncertainties. Interestingly, a similar overestimation for the O2 absorption has been observed for a clear sky case over a bright surface. A clear-sky case over a dark surface, however, shows the opposite effect, suggesting an underestimation of the O2 absorption. It is interesting to note that the corresponding radiance spectrum shows many negative values, indicating possible calibration problems. Here, more clear-sky cases of different surface albedos should be investigated for a better understanding of the performance of the instrument. The case study of the multiple layer cloud system leads to a better comparison to the collocated cloud profiles. Besides the observed overestimation of the O2 absorption, the developed investigation method works well and can be applied to satellite measurements on a global scale.
Wolken in der Atmosphäre haben unterschiedliche makroskopische Formen und mikrophysikalische Eigenschaften, welche starken Einfluss auf die Photonenwege der einfallenden solaren Einstrahlung ausüben. Photonenwege werden durch Reflektion der Strahlung an der Wolkenoberkante verkürzt, können durch Vielfachstreuung innerhalb der Wolke und Reflektionen zwischen verschiedenen Wolkenclustern aber auch erheblich verlängert werden. Diese Modifikationen der Photonwege beeinflussen den Energieeintrag kurzwelliger Strahlung in der Atmosphäre. In der vorliegenden Arbeit werden Photonenweglängenverteilungen von reflektiertem Sonnenlicht und weitere Wolkenparameter bestimmt. Dies wird durch den Vergleich spektral hochaufgelöster Satellitenmessungen der Sauerstoff A-Bande mit Strahlungstransportsimulationen erreicht. Die gemessenen Radianzen entstammen dem Fourier-Transform-Spektrometer TANSO-FTS des GOSAT-Satelliten. Strahlungstransportsimulationen verschiedener Wolkenszenarien werden mit dem Monte Carlo Modell McArtim durchgeführt und mit den Messspektren verglichen. Die Modellergebnisse bieten direkten Zugang zu den simulierten Streuereignissen, was die Berechnung von Photonenweglängenverteilungen ermöglicht. Der Vergleich von Messung und Simulation wird durch einen Optimierungsprozess erzielt, welcher im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Die Auswertung wird auf ausgewählte Fälle von Einschichtwolken angewandt, sowie auf ein Szenario mit unterschiedlichen Wolkenschichten. Für diese Fälle existieren Überschneidungen von LIDAR Messungen durch CALIOP (CALIPSO) und RADAR Messungen durch CPR (CloudSat). Die Wolkenszenarien, welche am besten mit der Messung übereinstimmen, werden mit den Wolkenprofilen von CALIOP and CPR verglichen, sowie mit den optischen Dichten der Wolke, gemessen durch TANSO-CAI (GOSAT). Allgemein zeigen die Ergebnisse der Auswertung eine befriedigende Übereinstimmung mit den unabhängigen Vergleichsmessungen, und die ermittelten optischen Dichten der Wolken werden gut getroffen. Aus dem Vergleich mit den unabhängigen Wolkenprofilen ergibt sich jedoch eine systematische Überschätzung der ermittelten Wolkenoberkanten für die Einschichtwolken, was mit einer Überschätzung der simulierten Sauerstoffabsorption in der Größenordnung von 5-10% einher geht. Um diese Unstimmigkeit aufzulösen, wurden verschiedene Sensitivitätsstudien durchgeführt, welche die horizontale Homogenität der Wolken und Konfigurationen der Simulationen wie die Absorptionsquerschnitte von Sauerstoff und den gewählten Asymmetrieparameter genauer betrachten. Bisher konnte keine Erklärung für die festgestellte Abweichung gefunden werden, aber es ist unwahrscheinlich dass diese alleine durch Unsicherheiten im Rahmen der Simulationen verursacht wird. Interessanterweise wurde für eine Messung mit wolkenlosem Himmel und heller Oberfläche eine ähnliche Überschätzung der Sauerstoffabsorption festgestellt. Die Analyse einer Messung mit wolkenlosem Himmel über einer dunklen Oberfläche wiederum zeigt das Gegenteil, nämlich eine Unterschätzung der simulierten Sauerstoffabsorption. Hier ist die Feststellung interessant, dass das zugehörigen Messspektrum viele negative Radianzen aufweist, was ein Indiz für mögliche Probleme der Kalibrierung ist. In Zukunft sollten weitere Fälle mit klarem Himmel und unterschiedlicher Bodenalbedo betrachtet werden, um die Leistungsfähigkeit des Instrumentes besser einschätzen zu können. Die Auswertung eines mehrschichtigen Wolkensystems zeigt eine bessere Übereinstimmung mit den Vergleichsprofilen der Wolke. Abgesehen von der beobachteten Überschätzung der Sauerstoffabsorption funktioniert der entwickelte Auswertungsprozess gut und kann auf Satellitenmessungen in globalem Maßstab angewandt werden.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4184
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 149 Seiten
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