Vector radiative transfer and its application to the remote sensing of aerosols and hydrosols

Abstract

The presented dissertation deals with some selected aspects that are important for the successful application of remote sensing techniques for the atmosphere and ocean. The sections of each chapter can be read independently and are with the exception of Section 4.3 and Section 4.4 published in peer-reviewed journals. The subsections are written in the style of research papers, so that textbook knowledge of the subject area is required. A very brief introduction into the research area is given at the beginning of each chapter. The following is a brief summary of the main findings of the individual research results. In the Chapter Polarimetry, results are presented that allow the construction of optimal multispectral polarimeters, which are based on the use of polarizing filters and waveplates. An analytical solution for the optimal positioning of polarizing filters and waveplates for a polarimeter with four optics was found and discussed. Moreover, a numerical minimization approach is used to derive an optimal polarimeter configuration, which further minimizes the measurement error for the most commonly anticipated measurements. Waveplates, which act as a converter of linear and circular polarization, are a central optical element for the discussed class of polarimeters. Their optical properties are critical for the design of a polarimeter and for deriving the polarization state from the measurements of the polarimeter. A robust method for determining their optical properties is introduced, discussed, and successfully tested in the laboratory. The method has been designed such that errors in the experiment, and deviations of their actual optical properties from their theoretically assumed optical properties, become explicitly visible and can be interpreted as a measurement error. The Chapter Vector Radiative Transfer describes how the former scalar radiative trans- fer model MOMO, which has a long tradition of successful applications at the Institute for Space Sciences at the Freie Universität Berlin, has been extended to a full vector model. It is now able to simulate the vector radiance field in a plane parallel system of a coupled atmosphere and ocean with a wind roughened interface. This allows to more accurately simulate the radiance field, since the simplifications of a scalar model can cause errors of the simulated radiance of a few percent. In addition, but not limited to, the vector components of the radiance can be used for the remote sensing of aerosols and hydrosols. The model is described, was extensively tested, and validated using several independent methods. The validation of radiative transfer models is a key step in their development and implementation, and a new method for their validation was proposed. The method is based on the fact that it is much more difficult to implement a system that solves the radiative transfer equation, than to implement a system that verifies whether a given radiance field is in fact the solution of the radiative transfer equation for the system under consideration. Such a verification scheme for the simple case of Rayleigh scattering was implemented, its description published, and its implementation provided to the scientific community. Beyond that, a radiance data set with high spatial resolution, which was verified by the scheme, was made available and can now be used for the validation of radiative transfer models. The method can be extended to cases for which no validation data set is available, for example for the coupled atmosphere-ocean system or systems in which inelastic scattering cannot be neglected. Described in the Chapter Applications to Remote Sensing are research results within the field of the remote sensing of aerosols and hydrosols, which were among other tools obtained by using the new vector MOMO model. In a first application, the influence of salinity and temperature of ocean water and the neglecting of polarization in radiative transfer simulations for the simulation of the radiance field at the upper boundary of the ocean and atmosphere was estimated. The obtained results are significant, because these effects are neglected in major ocean color remote sensing schemes. It was found that the upward directed radiance at the upper boundary of the ocean in the 412nm MERIS channel can change by up to 16%. When the salinity of the ocean changes by 25P SU . Such a change in salinity is similar to the difference in salinity between ocean water and the northernmost parts of the Baltic Sea. The effect is strongest for clearest waters and decreases with increasing wavelength and chlorophyll concentration. A temperature change of 10◦ C can cause a radiance change of 2%, which has a strong spectral dependence. Neglecting polarization in the radiative transfer can cause errors of up to ±8%, which depend strongly on viewing geometry. Taken together, the simulations have shown that for the simulation of case one waters, all three effects should be considered in order to minimize effects on ocean color remote sensing schemes. Furthermore, the possibilities for the remote sensing of aerosol vertical distribution from spaceborne hyperspectral radiance measurements in oxygen absorption bands were discussed based on ESA’s upcoming FLEX mission. A hypothetical instrument with much higher spectral resolution was additionally simulated and included into the discussion. The aerosol vertical profile was modeled as a sum of up to three logarithmic normal distribution functions. An analysis of measurements of the spaceborne LIDAR CALIOP has shown that on regional to global scales, the aerosol vertical distribution can be well approximated by using two modes. To estimate the expected retrieval error for the FLEX mission, synthetic simulations and inversions were used. It was found that a monomodal profile can be derived with an error of about 30% for the aerosol average height and width. The retrieval error highly depends on the spectral resolution of the instrument, its signal to noise ratio, the aerosol optical thickness, the reflectivity of the surface, and the number of to be inverted aerosol modes. The retrieval error for bimodal profiles is so high that standard cases can hardly be distinguished. If the inversion of a monomodal profile is used for a bimodal profile, the result is an intermediate value. This indicates that a monomodal approach could provide effective aerosol average heights and widths. Higher spectral resolution and a lower signal-to-noise ratio decrease the retrieval error. One advantage of the FLEX mission, if compared to the concepts of other upcoming missions, is its high spatial resolution, which can help to reduce additional errors and trends caused by surface inhomogeneities within a single measurement pixel. Further described is how the techniques of the FLEX feasibility study are applied to measurements of the Fourier spectrometer TANSO-FTS, which is on board on the GOSAT satellite. Its measurements are characterized by a coarse spatial but very high spectral resolution in the oxygen A-band. A simple inversion scheme, based on a lookup table and the differential evolution technique, was implemented and applied to a data set of 104 measurements, and 80 of them could be reproduced with only minor residuals. Failed inversion attempts can be most likely explained by the influence of the measurement by clouds. The results provide a proof- of-concept for the developed techniques for the remote sensing of aerosol vertical distribution. Remaining systematic deviations of measurements and simulations are caused by the constant temperature profile used in the simulations, limits of the absorption model for molecular lines, and limitations of the HITRAN 2008 database. In particular affected are oxygen absorption lines, which are caused by line mixing and collision induced absorption. Also, the used Voigt line model caused a systematic overestimation of the absorption at the edge of the oxygen A- band. Despite the remaining deviations, the successful simulation of the measurements showed that the developed model is suitable for its application and gave promising results for the future remote sensing of the vertical aerosol distribution from spaceborne radiance measurements in oxygen absorption bands.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einigen ausgewählten Aspekten, die für eine erfolgreiche Anwendung von Fernerkundungstechniken für Atmosphäre und Ozean wichtig sind. Die Unterkapitel der einzelnen Kapitel dieser Arbeit können unabhängig voneinander gelesen werden und wurden mit Ausnahme von Unterkapitel 4.3 und 4.4 in Fachzeitschriften veröffentlicht, die ein Peer Review Verfahren anwenden. Die Unterkapitel wurden im Stil von Fachaufsätzen verfasst, so dass Lehrbuchwissen für das jeweilige Fachgebiet vorausgesetzt wird. Am Anfang eines jeden Kapitels wurde eine sehr kurze Einführung in das jeweilige Fachgebiet gegeben. In der folgenden Zusammenfassung werden kurz die wesentlichen Ergebnisse der einzelnen Arbeiten dargestellt. Im Kapitel Polarisation werden Ergebnisse präsentiert, die den Aufbau von optimalen multispektralen Polarimetern, welche auf der Anwendung von Polarisationsfiltern und Wellenplatten bestehen, ermöglichen. Es wurde eine analytische Lösung für die optimale Positionierung von Polarisationsfiltern und Wellenplatten für ein Polarimeter mit vier Optiken gefunden und diskutiert. Darüber hinaus wurde ein nummerischer Minimierungsansatz angewendet, um eine optimale Polarimeterkonfiguration abzuleiten, die zusätzlich den Messfehler für die am häufigsten angenommenen Messungen minimiert. Ein zentrales optisches Element für die diskutierte Klasse von Polarimetern sind Wellenplatten, die im Wesentlichen als Konverter von linearer und zirkularer Polarisation fungieren. Ihre optischen Eigenschaften sind entscheidend für das Design eines Polarimeters sowie für die Ableitung des Polarisationszustandes aus den Messungen des Polarimeters. Es wurde eine robuste Methode für die Bestimmung der optischen Eigenschaften von Wellenplatten entwickelt, diskutiert und erfolgreich im Labor getestet. Die Methode wurde so konstruiert, dass Fehler im Experiment und Abweichungen der wirklichen optischen Eigenschaften von den theoretisch angenommenen optischen Eigenschaften explizit sichtbar werden und als Messfehler interpretiert werden können. Im Kapitel Vektor-Strahlungstransfer wurde beschrieben wie das vormals skalare Strahlungstransportmodell MOMO, das seit langem erfolgreich am Institut für Weltraumwissenschaften der Freien Universität Berlin eingesetzt wird, zu einem vollen Vektormodell erweitert wurde. Es kann nun zur Simulation des vektoriellen Strahldichtefeldes für ein planparalleles System aus gekoppelter Atmosphäre und Ozean, mit einer vom Wind aufgerauten Zwischenschicht, benutzt werden. Dies ermöglicht bessere Simulationen des Strahldichtefeldes, da die Vereinfachungen eines skalaren Modells zu Abweichungen der Strahldichte in Bereiche von einigen Prozent führen können. Zudem können die Vektorkomponenten der Strahldichte unter anderem für die Fernerkundung von Aerosolen und Hydrosolen benutzt werden. Das Modell wurde beschrieben, umfangreich getestet und mit verschiedenen unabhängigen Methoden validiert. Die Validierung von Strahlungstransportmodellen ist einer der wichtigsten Schritte in deren Entwicklung und Implementierung und in der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode zur Validierung vorgeschlagen. Diese basiert auf der Tatsache, dass es weitaus schwieriger ist, ein System zu implementieren, das die Strahlungstransportgleichung löst, als ein System zu implementieren, welches testet, ob ein gegebenes Strahldichtefeld die Lösung der Strahlungstransportgleichung für das betrachtete System ist. Ein solches Verifikationssystem für den einfachen Fall von Rayleigh-Streuung wurde implementiert, publiziert und der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wurde ein räumlich hoch aufgelöster Strahldichtedatensatz zur Verfügung gestellt, der mit dem System verifiziert wurde und nun für die Validierung von Strahlungstransportmodellen eingesetzt werden kann. Die Methode kann ohne besondere Schwierigkeiten auf Fälle erweitert werden, für die noch kein Validierungsdatensatz zur Verfügung steht, so zum Beispiel für das gekoppelte Atmosphären-Ozean-System oder Systeme, in denen inelastische Streuung nicht vernachlässigt werden kann. Im Kapitel Anwendungen in der Fernerkundung wurden Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Fernerkundung von Aerosolen und Hydrosolen beschrieben, die unter anderem mit Hilfe des erweiterten MOMO Modells gewonnen wurden. In einer ersten Anwendung wurde der Einfluss von Salzgehalt und Temperatur von Ozeanwasser sowie die Vernachlässigung von Polarisation in Strahlungstranfersimulationen auf Strahldichten am Oberrand von Ozean und Atmosphäre abgeschätzt. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind bedeutsam, da die untersuchten Einflüsse bisher in den wichtigsten Ozeanfarben-Fernerkundungssystemen vernachlässigt werden. Es zeigte sich, dass sich die Strahldichte am Ozeanoberrand im 412nm MERIS Kanal um bis zu 16% ändern kann, wenn sich der Salzgehalt des Ozeans um 25PSU ändert. Eine solche Änderung des Salzgehaltes entspricht in etwa dem Unterschied zwischen Ozeanwasser und den nördlichsten Gebieten der Ostsee. Der Effekt ist am stärksten für klares Wasser und wird kleiner mit ansteigender Wellenlänge und Chlorophyllkonzentration. Eine Temperaturänderung von 10°C kann für solche Gewässer zu einer Strahldichteänderung von 2% führen, welche eine starke spektrale Abhängigkeit aufweist. Wird Polarisation im Strahlungstransfer vernachlässigt, so kann dies zu Fehlern von bis zu +/- 8% führen, die stark von der Beobachtungsgeometrie abhängen. Zusammen genommen haben die Simulationen gezeigt, dass bei der Simulation von Case One Waters alle drei Effekte berücksichtigt werden sollten, um Effekte auf Ozeanfarben- Fernerkundungssysteme zu minimieren. Des Weiteren wurden in der vorliegenden Arbeit die Möglichkeiten zur Fernerkundung der vertikalen Aerosolverteilung aus weltraumgestützen hyperspektralen Strahldichtemessungen in Sauerstoff Absorptionsbanden anhand der bevorstehenden ESA Mission FLEX diskutiert. Ebenfalls wurde ein hypothetisches Instrument mit deutlich höherer spektraler Auflösung simuliert und in die Diskussion mit einbezogen. Das vertikale Aerosolprofil wurde als Summe von bis zu drei logarithmischen Normalverteilungsfunktionen modelliert. Eine Analyse von Messungen des weltraumgestützten Lidars CALIOP hat gezeigt, dass auf regionalen wie globalen Skalen die Aerosolverteilung mit Hilfe von zwei Moden gut approximiert werden kann. Um den Ableitungsfehler für die FLEX-Mission abzuschätzen, wurden synthetische Simulationen und Invertierungen benutzt. Es zeigte sich, dass ein monomodales Profil mit einem Fehler von circa 30% für die mittlere Aerosolhöhe und -ausdehnung abgeleitet werden konnte. Der Ableitungsfehler ist stark von der spektralen Auflösung des Instrumentes, dessen Signal-Rausch-Verhältnisses, der Aerosol optischen Dicke, der Reflektivität des Erdbodens und der Anzahl der Aerosolmoden abhängig. Der Ableitungsfehler für bimodale Profile ist so hoch, dass Standardfälle kaum voneinander unterschieden werden können. Wird eine monomodale Inversion auf ein bimodales Profil angewendet, so ist das Ergebnis ein Zwischenwert. Das bedeutet, dass ein monomodaler Ansatz effektive Aerosolmittelwertshöhen und -breiten liefern könnte. Eine größere spektrale Auflösung und ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis verringern den Ableitungsfehler. Ein Vorteil des FLEX-Konzeptes im Vergleich zu Konzepten anderer bevorstehender Missionen ist dessen hohe räumlich Auflösung, die dazu beitragen kann, zusätzliche Ableitungsfehler und Tendenzen, die von Bodeninhomogenitäten innerhalb eines Messpixels verursacht werden, zu verkleinern. Weiter wurde beschrieben, wie die Techniken aus der obig beschriebenen FLEX Machbarkeitsstudie auf Messungen des Fourier Spektrometers TANSO-FTS, welches sich an Bord des Satelliten GOSAT befindet, angewendet wurden. Dessen Messungen sind durch eine grobe räumliche, aber sehr hohe spektrale Auflösung in der Sauerstoff A-Bande charakterisiert. Ein einfaches auf einer Nachschlagetabelle und der differential evolution Technik basierendes Inversionssystem wurde implementiert und auf einen Datensatz von 104 Messungen angewendet. Davon konnten 80 mit nur geringen Fehlern reproduziert werden. Fehlgeschlagene Inversionen sind höchst wahrscheinlich durch die Beeinflussung der Messung durch Wolken zu erklären. Die Ergebnisse stellen einen Machbarkeitsbeweis für die entwickelten Konzepte zur Fernerkundung der vertikalen Aerosolverteilung dar. Systematische Abweichungen von Messungen und Simulationen können durch das konstante Temperaturprofil in den Simulationen, Limitierungen des Absorptionsmodell für molekulare Linien und Limitierungen der HITRAN 2008 Datenbank erklärt werden. Insbesondere betroffen sind Sauerstoff-Absorptionslinien, die durch line mixing und collision induced absorption verursacht werden. Zusätzlich zeigte sich, dass das benutzte Voigt Linien Modell eine systematische Überschätzung der Absorption am Rand der Sauerstoff A-Bande verursacht. Trotz der beschriebenen Abweichungen zeigt die erfolgreiche Simulation der Messungen, dass das entwickelte Modell für die Anwendung geeignet ist. Insgesamt wurden vielversprechende Ergebnisse für die zukünftige Ableitung der vertikalen Aerosolverteilung aus Strahldichtemessungen in Sauerstoff-Absorptionsbanden erbracht.