The SARTre Model for Radiative Transfer in Spherical Atmospheres and its Application to the Derivation of Cirrus Cloud Properties

Abstract

The aim of the work presented here has been the development of a consistent radiative transfer model, which is able to consider emitted and scattered radiation from solar and terrestrial sources. To our knowledge, SARTre, the [Approximate] Spherical Atmospheric Radiative Transfer model, is the first model, that is capable of limb modeling in ultraviolet, visible, near to far infrared, and microwave spectral region.

Within this thesis, the structure and principles of the radiative transfer model SARTre have been described. In particular, the assumption of a locally plane-parallel atmosphere used for the calculation of multiple scattering contributions is addressed.

Verification and Validation of the model SARTre are described and their results are discussed. The verification is done by model intercomparison, separately for terrestrial and solar radiative transfer. The verification of terrestrial radiative transfer includes the calculation of limb spectra under clear-sky and cloudy conditions. Results are compared to diverse models. The validity of the local planarity assumption in case of multiple scattering is evaluated. For the verification of solar radiative transfer, limb scattering radiances have been compared in the ultraviolet spectral range, which is characterized by strong Rayleigh scattering and - in part - by strong ozone absorption. As reference, a Monte Carlo model has been used. In general it has been found, that SARTre performs well, when absorption dominates. The pseudo- spherical approximation for the calculation of the multiple scattering term reaches its limit at high tangent altitudes in strongly scattering atmospheres.

SARTre has been used to study effects of cirrus clouds on infrared limb emission spectra. Sensitivity concerning a number of cloud parameters, e.g. cloud optical and geometrical thickness, cloud altitude, ice water path, particle size and shape, has been evaluated. Based on the sensitivity study, cirrus cloud properties have been derived from a single MIPAS limb sequence taken over the Arabian peninsula. Spectra modeled by SARTre have been fitted to MIPAS spectra simultaneously for two subsequent limb measurements over three microwindows located in the atmospheric window around 10 μm. Even without a sophisticated retrieval algorithm, it was possible to fit simulation and measurement close to measurement accuracy in the continuum signal as well as for the molecular absorption lines, e.g. of H2O.

A direct validation of SARTre retrieved cloud properties has not been possible due to the lack of proper in-situ data. Cirrus cloud properties have not been acquired yet by in-situ measurements in parallel to MIPAS overpasses. But, the plausibility of derived cloud properties has been discussed in relation to MODIS and MERIS data. Furthermore, the good agreement of model results and measurements over a wider spectral range suggests, that the model works correctly and hence, can be taken as validated.

In der vorliegenden Arbeit wird das Strahlungstransfermodell SARTre ([Approximate] Spherical Atmospheric Radiative Transfer model) vorgestellt. SARTre wurde entwickelt mit dem Ziel, ein konsistentes Modell zur Simulation von Strahlungstransfer unter Einbeziehung emittierter und gestreuter Strahlung aus terrestrischen und solaren Quellen zur Verfügung zu stellen. Soweit bekannt, ist es das erste Modell, welches fähig ist, Limb-Beobachtungen im Bereich ultravioletter, sichtbarer und infraroter Strahlung sowie im Mikrowellenbereich zu modellieren.

Das Modell wird in seiner Struktur beschrieben und die wesentlichen Ansätze zur Lösung des Strahlungstransferproblems in sphärischer Atmosphäre dargelegt. Insbesondere wird auf die Annahme lokaler Planparallelität der Erdatmosphäre eingegangen, welche die Grundlage zur Berechnung des Beitrages aus Mehrfachstreuung darstellt.

Verifikation und Validierung des Modells SARTre werden beschrieben und die Ergebnisse diskutiert. Die Verifikation erfolgt getrennt für die Bereiche des terrestrischen und solaren Strahlungstransfers jeweils durch Modellvergleich. Infrarot-Limb-Spektren wurden sowohl unter Bedingungen einer klaren, wolkenfreien Atmosphäre sowie für das Auftreten von Eiswolken im Sichtfeld simuliert und mit Modellierungsergebnissen verschiedener anderer Modelle verglichen. Die Gültigkeit der Annahme einer lokal planparallelen Atmosphäre im Fall von Mehrfachstreuung wurde geprüft. Die Verifikation des Modells hinsichtlich solarem Strahlungstransfer erfolgt durch Vergleich simulierter Limb-Beobachtungen im ultravioletten Spektralbereich, der durch starke Rayleigh-Streuung sowie z.T. starke Ozonabsorption gekennzeichnet ist. Als Referenz wird ein Monte Carlo Modell herangezogen. Es wurde festgestellt, dass die pseudo-sphärische Näherung in der Berechnung des Mehrfachstreubeitrags bei der Modellierung von Limb-Beobachtungen in größeren Tangentenhöhen an ihre Grenzen stößt, sobald Streuung in der Atmosphäre dominiert.

Die Validierung von SARTre baut auf einer Untersuchung des Effekts von Zirruswolken auf Limb-Emissions-Spektren auf. Simulierte Spektren werden mit MIPAS-Limbmessungen verglichen. Über den simultanen Abgleich von modellierten und gemessenen Spektren zweier aufeinanderfolgender Messungen unterschiedlicher Tangentenhöhe in drei ausgewählten Spektralintervallen innerhalb des atmosphärischen Fensters bei 10 μm werden Eigenschaften des Zirrus abgeleitet. Es wird demonstriert, dass die von SARTre modellierten Spektren die MIPAS-Messungen gut, d.h. bis in den Bereich der Messgenauigkeit, nachvollziehen können. Dies gilt sowohl für die Kontinuumsbereiche als auch bezüglich der Gasabsorptionslinien. Die Plausibilität der gefundenen Wolkeneigenschaften wird u.a. im Vergleich zu MODIS- und MERIS-Daten diskutiert. Da momentan keine parallel zu MIPAS-Überflügen gemessenen Parameter von Eiswolken existieren, ist die Validierung lediglich indirekt möglich. Die gute Übereinstimmung von Modell und Messung in den über einen breiten Spektralbereich verteilten Fenstern legt jedoch die Korrektheit des Modells nahe, das damit als validiert gelten kann.