Exploitation of the MERIS oxygen A band channel for the retrieval of cloud-top pressure and the correction of instrumental stray light

Abstract

This work deals with the exploitation of satellite-borne measurements within the oxygen A absorption band around 0.76 µm for the retrieval of cloud height and the correction of instrumental stray light in the MERIS instrument onboard the ENVISAT satellite. It contains extensive studies regarding the sensitivity of single and multiple channels within the O2 A band to cloud height and other influencing parameters like cloud optical and geometrical thickness, cloud microphysics, surface pressure and albedo, the temperature profile and instrumental calibration accuracy. The information content inherent to O2 A measurements above clouds is analyzed and discussed with respect to the channel configuration. A maximum number of three independent pieces of information derivable from multispectral MERIS-like measurements in the oxygen A band is found, representing the cloud optical and geometrical thickness and the cloud height.An algorithm for the retrieval of cloud-top pressure from MERIS measurements is presented and validated using airborne LIDAR measurements, revealing an accuracy of 25 hPa in case of low-level, single- layered clouds. However, large deviations are found for some cases, presumably situations with cirrus above the observed low-level clouds. Since MERIS provides only a single channel inside the oxygen absorption band, additional information is necessary to account for the effect of cirrus. Based on synergistic measurements of MERIS and AATSR, both mounted on ENVISAT, a new technique for the retrieval of multilayer cloud height in case of cirrus above low-level clouds is developed and presented. It is based on the fact that the cloud height derived from measurements in the thermal infrared spectral region, as provided by e.g. the 11 µm channel of AATSR, in the vast majority of cases corresponds to the uppermost cloud layer, even if it is optically thin. In contrast, the transmission within the O2 A band, as measured by MERIS, is predominantely influenced by the optical center of the cloud system, which is close to the lower cloud layer in cases of cirrus above low-level clouds. By exploiting the split window brightness temperature difference of the 12 µm and the 11 µm channel of AATSR, cases with optically thin cirrus above optically thick low clouds are identified. The measurements of AATSR and MERIS are used for the retrieval of multilayer cloud height for these cases. The novel and unique methodolgy is demonstrated using the example of two multilayered cloud systems above the Northern Atlantic. A second focus of this thesis is on the correction of instrumental stray light within MERIS, caused by multiple scattering and reflection at optical elements like lenses or gratings. Since stray light represents one of the main sources of errors of MERIS measurements within the oxygen A band, empirical correction factors are determined and applied to MERIS data. Therefore, an algorithm for the retrieval of land surface pressure is developed and used for the optimization of derived pressure by adjusting the coefficients of a simple brightness- dependent stray light model. The operational stray light correction applied within the MERIS ground segment is found to work improperly in general, causing a pixel-dependent over- or underestimation of stray light. In case of previously uncorrected data an amount of 4-7 % of stray light is found in the oxygen A band channel. The errors of derived surface and cloud-top pressure are greatly reduced by the empirical stray light correction, as demonstrated by applying the correction factors to independent cloudy and clear sky scenes.The measurements of MERIS and AATSR will be continued and extended by OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) and SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) onboard the GMES Sentinel-3 satellite, to be launched in 2012. Prospectively, OLCI will provide measurements in three spectral channels inside the oxygen A band, involving a gain of information about the height and vertical extent of clouds, as compared to the measurements of MERIS. A main focus of OLCI and SLSTR will be on the enhancement of the synergistic usage of both instruments. Thus, the results found in the frame of this thesis will help to develop adequate algorithms for the retrieval of cloud height of single- and dual-layered cloud systems and successfully exploit the synergy of both instruments.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Auswertung von satellitengestützten Messungen innerhalb der Sauerstoff A Absorptionsbande bei 0.76 µm für die Bestimmung der Wolkenhöhe und die Korrektur von Streulicht im MERIS Instrument an Bord des ENVISAT-Satelliten. Sie enthält ausführliche Studien zur Sensitivität von sowohl einzelnen als auch mehreren Kanälen innerhalb der O2 A Bande zur Wolkenhöhe sowie weiteren Einflussgrößen wie der optischen und geometrischen Wolkendicke, der Wolkenmikrophysik, dem Luftdruck am Boden, der Oberflächenhelligkeit, dem Temperaturprofil und der Genauigkeit der Instrumentenkalibration. Der Informationsgehalt von Messungen innerhalb der Sauerstoffbande über Wolken wird in Abhängigkeit der Kanalkonfiguration analysiert und diskutiert. Bei einer MERIS-ähnlichen spektralen Auflösungen sind maximal drei unabhängige Größen aus multispektralen Messungen innerhalb der O2 A Bande ableitbar: die optische und geometrische Wolkendicke sowie die Wolkenhöhe.Ein Algorithmus für der Bestimmung der Wolkenhöhe aus MERIS- Messungen wird vorgestellt und mit flugzeuggestützten LIDAR-Messungen validiert. Für tiefe Einschichtbewölkung ergibt sich für das MERIS-Verfahren eine Genauigkeit von 25 hPa, wohingegen sich der Fehler für Fälle mit Cirrus- Bewölkung oberhalb tiefer Wolken deutlich erhöht. Da MERIS innerhalb der O2 A Bande lediglich Messungen in einem einzelnen Kanal liefert, müssen für die Berücksichtigung des Effektes von Cirrusbewölkung zusätzliche Informationen hinzugezogen werden. Basierend auf synergetischen Messungen der Instrumente MERIS und AATSR, jeweils an Bord von ENVISAT, wird eine neuartige Methode zur Bestimmung der Höhe zweier übereinander liegender Wolkenschichten vorgestellt. Sie basiert auf der Tatsache, dass die aus Messungen im thermisch-infraroten Spektralbereich, wie beispielsweise dem 11 µm-Kanal von AATSR, abgeleitete Wolkenhöhe in der Regel der Höhe der obersten Wolkenschicht entspricht. Im Gegensatz dazu wird die von MERIS gemessene Transmission in der O2 A Bande hauptsächlich vom optischen Zentrum des Wolkensystems bestimmt, das im Fall von optisch dünnem Cirrus über tiefen Wolken nahe der unteren Wolkenschicht liegt. Die Auswertung der Helligkeitstemperaturdifferenz zwischen dem 11 µm- und dem 12 µm-Kanal von AATSR erlaubt die Identifizierung geeigneter Fälle von optisch dünnem Cirrus über optisch dicken tiefen Wolken. Die Messungen von MERIS und AATSR werden genutzt um die Höhe beider Wolkenschichten in diesen Fällen zu bestimmen. Das einzigartige Verfahren wird anhand zweier Fallstudien von Mehrschichtbewölkung über dem Nordatlantik demonstriert.Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Korrektur von Streulicht innerhalb des MERIS- Instruments, das durch mehrfache Reflektion und Streuung an optischen Elementen wie Linsen oder Beugungsgittern entsteht. Da Streulicht eine der Hauptfehlerquellen für MERIS-Messungen innerhalb der O2 A Bande darstellt, werden empirische Streulicht-Korrekturkoeffizienten ermittelt. Dies erfordert die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung des Luftdrucks am Boden aus MERIS-Messungen das im Folgenden für die Angleichung des abgeleiteten Luftdrucks in ausgewählten MERIS-Szenen durch Optimierung der Koeffizienten eines einfachen Streulicht-Modells genutzt wird. Das operationelle Verfahren zur Streulichtkorrektur, das innerhalb des MERIS ground segment zum Einsatz kommt, stellt sich als unzureichend heraus und führt je nach Blickwinkel zu Über- bzw. Unterschätzung des Streulichts. In zuvor unkorrigierten Daten wird ein Streulichtanteil von 4 - 7 % im MERIS O2 A Kanal gefunden. Anhand von bewölkten und unbewölkten MERIS-Szenen wird gezeigt, dass die Fehler der abgeleiteten Wolkenhöhe und des Bodendrucks durch die empirische Streulichtkorrektur deutlich reduziert werden.Mit den Instrumenten OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) and SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) an Bord des Sentinel-3 Satelliten werden die Messungen von MERIS und AATSR ab ca. 2012 fortgesetzt und erweitert. OLCI wird voraussichtlich die Strahldichte in drei Kanälen innerhalb der O2 A Bande messen, was gegenüber MERIS einen Informationsgewinn über die Höhe und die vertikale Struktur von Wolken bedeutet. Ein Hauptaugenmerk der OLCI- und SLSTR-Missionen wird auf dem Ausbau der synergetischen Nutzung der beiden Instrumente liegen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit werden daher helfen, geeignete Algorithmen für die Ableitung der Wolkenhöhe von Einschicht- wie Mehrschichtbewölkung zu entwickeln und die Synergieeffekte der simultanen Messungen auszunutzen.