RADIATIVE TRANSFER AND INVERSION MODEL OF ATMOSPHERIC MEASUREMENTS IN THE FAR INFRARED FOR CLOUDY CONDITIONS

E’ stato sviluppato un codice d'inversione chiamato MARC (Millimetre-wave Atmospheric Retrieval Code) per analizzare le misure di un nuovo strumento eterodina che effettua misure atmosferiche al lembo chiamato MARSCHALS (Millimetre-wave Airborne Receivers for Spectroscopic CHaracterisation in Atmospheric Limb-Sounding). Il codice d'inversione fa una regressione non lineare che minimizza la differenza fra le misure ed un modello diretto. In questo modello si calcola il trasporto radiativo in atmosfera non omogenea considerando anche gli effetti dovuti ai gradienti orizzontali ed alla presenza di nubi. Molte nuove e interessanti caratteristiche sono presenti in questo codice d'inversione: l'uso della matrice di varianza e covarianza del modello diretto, la quale descrive in maniera rigorosa gli errori sistematici riducendo così la loro influenza nel calcolo dell'errore totale; la flessibilità nella procedura d'inversione (single-target e multi-target, single-band e multi-band, single-sequence e sequential-fit, selezione tra differenti strategie di regolarizzazione e tra differenti criteri di convergenza), un'ambia varietà di quantità ricavabili dall'inversione (costituenti atmosferici, gradienti orizzontali e parametri strumentali); determinazione di molti quantificatori della qualità dell'inversione (averaging kernel matrix, gradi di libertà, contenuto di informazione, chi^2 test e numero di macro e micro iterazioni nella procedura d'inversione). L'osservazione al lembo può fornire la necessaria risoluzione verticale per lo studio della regione UTLS (Upper Troposphere - Lower Stratosphere). Per questo motivo, negli ultimi anni, molti spettrometri che effettuano misure al lembo sono stati montati a bordo dei nuovi satelliti. In questo contesto ESA (European Space Agency) sta pianificando lo sviluppo di uno spettrometro eterodina che lavora nelle onde millimetriche chiamato MASTER (Millimetre-wave Acquisition for Stratosphere-Troposphere Exchange Research) e ha sviluppato MARSCHALS per misure da aereo stratosferico. L'obiettivo di MARSCHALS è verificare sperimentalmente le capacità di misura di MASTER nella regione UTLS. Questo obiettivo è stato perseguito utilizzando il codice MARC per l'analisi delle misure di MARSCHALS. MARC è stato prima di tutto impiegato per uno studio teorico d'inversione. Questo studio ha determinato le capacità di misura di MARSCHALS in cielo sereno e cielo nuvoloso in termini di accuratezza con la quale possono essere determinate le quantità atmosferiche obiettivo della misura ed alcuni parametri strumentali. Inoltre, è stato osservato che in presenza di nubi ci sono quattro condizioni di misura che si possono verificare: nubi che non modificano le misure, nubi che possono essere adeguatamente descritte con un modello di assorbimento continuo atmosferico, nubi per le quali una limitata risoluzione verticale produce un errore nel modellare la distribuzione verticale della nube stessa, e infine nubi che necessitano un modello di scattering per poter ottenere un corretta inversione dei dati misurati. Alla luce dei risultati ottenuti in questo studio teorico, MARC è stato utilizzato per analizzare le misure di MARSCHALS ottenute durante la campagna di misura SCOUT-O3 fatta a Darwin (Australia) nel Dicembre del 2005. I risultati dell'analisi hanno confermato la capacità di MARSCHALS di effettuare misure dei costituenti atmosferici in presenza di nubi che, invece, risultano essere opache nel medio e lontano infrarosso. MARSCHALS ha misurato la distribuzione verticale della temperatura, del vapor d'acqua, dell'ozono e dell'acido nitrico durante l'intero volo. Inoltre, usando lo stesso codice, sono state analizzate le misure di uno strumento a trasformata di Fourier, con rivelatore non raffreddato, chiamato REFIR-PAD (Radiation Explorer in the Far InfraRed - Prototype for Applications and Development), anche questo strumento ha raccolto dati a latitudini tropicali. Da queste misure sono state ottenute informazioni sul profilo di vapor d'acqua, di temperatura e sulla temperatura della superficie. I residui della procedura d'inversione sono stati analizzati con l'obiettivo di individuare possibili effetti sistematici dovuti ad errori spettroscopici. Nell'intervallo spettrale coperto da REFIR-PAD i residui sono consistenti con le incertezze di misura previste, provando così una buona qualità del modello di trasferimento radiativo e del data-base spettroscopico HITRAN 2004. Differenze significative invece sono state osservate utilizzando il data-base spettroscopico HITRAN 2000. Il codice sviluppato ha fornito una robusta e affidabile analisi delle misure di due strumenti diversi con una completa caratterizzazione dei risultati e con l'identificazione delle loro future potenzialittà. Questo lavoro è stato realizzato grazie al contributo di ESA-ESTEC (contratto n° 16530/02/NL/MM)

Sun-induced leaf fluorescence retrieval in the O2-B atmospheric absorption band.

Sun-induced leaf fluorescence was inferred by using high resolution (0.5 cm(-1)) radiance measurements and simulated spectra of the solar irradiance at the ground level, in the region of the O(2)-B absorption band. The minimization of a cost function was performed in the Fourier transform domain in order to make an accurate fit of the Instrumental Line- Shape that convoluted the simulated spectrum. Second- order polynomials were used to fit the leaf fluorescence and reflectance in the 100-cm(-1)-wide spectral window. The scale and the instrumental conversion factor were also fitted in order to obtain an accuracy that could not be attained by using the radiance measurements alone

Generalization of the complete data fusion to multi-target retrieval of atmospheric parameters and application to FORUM and IASI-NG simulated measurements

Abstract In the context of a growing need for innovatory techniques to take advantage of the largest amount of information from the great number of available remote sensing data, the Complete Data Fusion (CDF) algorithm was presented as a new method to combine independent measurements of the same vertical profile of an atmospheric parameter into a single estimate for a concise and complete characterization of the atmospheric state. The majority of the atmospheric composition measurements determine the altitude distribution of a great number of quantities: multi-target retrievals (MTRs) are increasingly applied to remote sensing observations to determine simultaneously atmospheric constituents with the purpose to reduce the systematic error caused by interfering species. In this work, we optimised the CDF for the application to MTR products. We applied the method to simulated retrievals in the thermal infrared and in the far infrared spectral ranges, considering the instrumental specifications and performances of IASI-NG (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer New Generation) and FORUM (Far-Infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring) instruments, respectively. The obtained results show that the CDF algorithm can cope with state vectors from MTRs, that must share at least one retrieved variable. In particular, the results show that the fused profile has the greatest number of degrees of freedom and the smallest error for all considered cases. The comparison between the CDF products and the synergistic retrieval ones shows the equivalence of the two methods when the linear approximation is adopted to simplify the treatment of the retrieval problem

A Distributed Modular Data Processing Chain Applied to Simulated Satellite Ozone Observations

Remote sensing of the atmospheric composition from current and future satellites, such as the Sentinel missions of the Copernicus programme, yields an unprecedented amount of data to monitor air quality, ozone, UV radiation and other climate variables. Hence, full exploitation of the growing wealth of information delivered by spaceborne observing systems requires addressing the technological challenges for developing new strategies and tools that are capable to deal with these huge data volumes. The H2020 AURORA (Advanced Ultraviolet Radiation and Ozone Retrieval for Applications) project investigated a novel approach for synergistic use of ozone profile measurements acquired at different frequencies (ultraviolet, visible, thermal infrared) by sensors onboard Geostationary Equatorial Orbit (GEO) and Low Earth Orbit (LEO) satellites in the framework of the Copernicus Sentinel-4 and Sentinel-5 missions. This paper outlines the main features of the technological infrastructure, designed and developed to support the AURORA data processing chain as a distributed data processing and describes in detail the key components of the infrastructure and the software prototype. The latter demonstrates the technical feasibility of the automatic execution of the full processing chain with simulated data. The Data Processing Chain (DPC) presented in this work thus replicates a processing system that, starting from the operational satellite retrievals, carries out their fusion and results in the assimilation of the fused products. These consist in ozone vertical profiles from which further modules of the chain deliver tropospheric ozone and UV radiation at the Earth's surface. The conclusions highlight the relevance of this novel approach to the synergistic use of operational satellite data and underline that the infrastructure uses general-purpose technologies and is open for applications in different contexts

Optimal estimation reconstruction of the optical properties of a two-layered tissue phantom from time-resolved single-distance measurements

In this work, we have tested the optimal estimation (OE) algorithm for the reconstruction of the optical properties of a two-layered liquid tissue phantom from time-resolved single-distance measurements. The OE allows a priori information, in particular on the range of variation of fit parameters, to be included. The purpose of the present investigations was to compare the performance of OE with the Levenberg–Marquardt method for a geometry and real experimental conditions typically used to reconstruct the optical properties of biological tissues such as muscle and brain. The absorption coefficient of the layers was varied in a range of values typical for biological tissues. The reconstructions performed demonstrate the substantial improvements achievable with the OE provided a priori information is available. We note the extreme reliability, robustness, and accuracy of the retrieved absorption coefficient of the second layer obtained with the OE that was found for up to six fit parameters, with an error in the retrieved values of less than 10%. A priori information on fit parameters and fixed forward model parameters clearly improves robustness and accuracy of the inversion procedure

The Far-Infrared Radiation Mobile Observation System (FIRMOS) for spectral characterization of the atmospheric emission

The Far-Infrared Radiation Mobile Observation System (FIRMOS) is a Fourier transform spectroradiometer developed to support the Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring (FORUM) satellite mission by validating measurement methods and instrument design concepts, both in the laboratory and in field campaigns. FIRMOS is capable of measuring the downwelling spectral radiance emitted by the atmosphere in the spectral band from 100 to 1000 cm$^{−1}$ (10–100 µm in wavelength), with a maximum spectral resolution of 0.25 cm$^{−1}$. We describe the instrument design and its characterization and discuss the geophysical products obtained by inverting the atmospheric spectral radiance measured during a campaign from the high-altitude location of Mount Zugspitze in Germany, beside the Extended-range Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (E-AERI), which is permanently installed at the site. Following the selection of clear-sky scenes, using a specific algorithm, the water vapour and temperature profiles were retrieved from the FIRMOS spectra by applying the Kyoto protocol and Informed Management of the Adaptation (KLIMA) code. The profiles were found in very good agreement with those provided by radiosondes and by the Raman lidar operating from the Zugspitze Schneefernerhaus station. In addition, the retrieval products were validated by comparing the retrieved integrated water vapour values with those obtained from the E-AERI spectra