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Retrieval of methane and carbon monoxide using near infrared spectra recorded by SCIAMACHY onboard ENVISAT : Algorithm Development and data analysis

Frankenberg, Christian

German Title: Bestimmung von Methan und Kohlenmoxid mittels von SCIAMACHY auf ENVISAT aufgenommenen Nahinfrarotspektren : Algorithmenentwicklung und Datenanalyse

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Official URL: http://www.copernicus.org/EGU/acp/acp/5/9/
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Abstract

On the night of 28 February/1 March 2002 the European Space Agency (ESA) launched the environmental satellite ENVISAT on an Ariane 5 rocket from the European spaceport in Kourou. Onboard is, amongst others, the instrument SCIAMACHY that, for the first time in the history of space-borne remote sensing, features near infrared spectrometers measuring sunlight reflected and scattered back from the earth’s surface and atmosphere. In contrast to thermal emission sounders, the near infrared spectrometers enable the global retrieval of methane, carbon dioxide and carbon monoxide for the first time with high sensitivity to nearground atmospheric layers. In this thesis, an algorithm was developed based on the principles of differential optical absorption spectroscopy (DOAS), that deals with the peculiarities of retrieving strong absorbers in the near infrared, thus allowing a precise retrieval of the respective trace gases. It was shown that nonlinear iterative schemes are necessary to account for saturation effects and to avoid interdependencies of spectrally overlapping strong absorbers. The resulting nonlinear maximum a Posteriori algorithm (IMAP-DOAS) was applied to spectra recorded by SCIAMACHY and the retrieved total columns of methane and carbon monoxide were analyzed and interpreted. Since SCIAMACHY cannot be considered a dedicated greenhouse gas mission but a prototype with respect to near infrared spectroscopy, several instrumental shortcomings had to be solved. An extensive analysis of these effects enabled the retrieval of methane and carbon monoxide. Enhancements of carbon monoxide in biomass-burning regions could be clearly identified. In addition, the seasonal and geographical patterns of typical biomass burning regions could be observed. Only in the industrial regions of China, high carbon monoxide abundances were found to be persistent over the year. The worldwide first global measurements of the total columns of methane with high precision were made possible by use of concurrent retrievals of the relatively homogenously distributed carbon dioxide as proxy for the light path of the recorded photons. It was shown that the retrieved methane abundances show a very good agreement with modeled abundances from the chemistry-transport model TM3. The highest abundances were found over areas of rice cultivation in South-East Asia and can be considered a direct proof of large scale methane emissions in Asia. In the time-period from August through November 2003, large discrepancies between measurements and model were discovered over tropical rainforest areas. Measured abundances showed persistently higher abundances than those predicted by the model. This led to the conclusion that the tropical regions as methane source have been hitherto underestimated in current emissions inventories. Whether the discrepancies are attributable to a so far unknown methane source or to simply an underestimation of already known sources remains unclear. Recent studies suggest that there might indeed be a yet unknown source, namely the in-situ formation of methane in plants. If these findings can be supported by validation studies, a reassessment of the global methane budget should be indispensable. An extension of the analysis to the years 2003 and 2004 showed that the discrepancies are highest during the months of August through October. In addition, the highest methane abundances averaged over 2 years are found in the red basin in China. The precision of these measurements now allows their use in inversion models to quantify the temporal and geographical distribution of methane sources. Since methane, as second strongest anthropogenic greenhouse gas, is subject to the Kyoto-Protocol, a precise determination of its source strengths is indispensable. Thus, this work can be considered an important step towards greenhouse gas source inversions using space based retrievals.

Translation of abstract (German)

In der Nacht vom 28 Februar auf den 1 M¨arz 2002 wurde von der europäischen Raumfahrtbehörde ESA der Umweltsatellit ENVISAT mit einer Ariane 5 Rakete in eine Erdumlaufbahn in 800km Höhe gebracht. Als Nutzlast an Bord befindet sich unter anderem das Instrument SCIAMACHY, welches erstmals in der Geschichte der satellitengestützten Erdbeobachtung mit Spektrometern ausgestattet ist, die, in Ergänzung zu Messungen im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich, im Nahinfraroten (1-2.4µm) das von der Erdoberfläche und Atmosphäre zurückgestreute Sonnenlicht messen. Im Gegensatz zu Spektrometern im thermischen Infrarot erlauben diese Nahinfrarotspektrometer erstmals eine globale Bestimmung der klimarelevanten Gase Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid mit hoher Sensitivität für bodennahe Luftmassen. In dieser Arbeit wurde ein Algorithmus auf Basis der differentiellen optischen Absorptionspektroskopie (DOAS) entwickelt, welcher die Besonderheiten der Bestimmung starker Absorber im Nahinfarotbereich berücksichtigt und eine präzise Bestimmung der Säulendichten der jeweiligen Spurengase erlaubt. Es wurde gezeigt, dass nichtlineare iterative Verfahren notwendig sind, um Sättigungseffekte zu berücksichtigen und Wechselwirkungen zwischen spektral überlappenden starken Absorbern zu vermeiden. Basierend auf dem entwickelten nichtlinearen maximum a Posteriori Algorithmus (IMAP-DOAS) wurden die Messungen von SCIAMACHY ausgewertet und interpretiert. Da SCIAMACHY nicht als dediziertes Nahinfrarotspektrometer sondern mehr als Prototyp betrachtet werden kann, mussten zuvor eine Reihe von instrumentell bedingten Problemen gelöst werden. Mit einer intensiven Betrachtung dieser Effekte wurden Auswertungen von Kohlenmonoxid und Methan ermöglicht. Erhöhungen von Kohlenmonoxid in Gebieten mit Biomasseverbrennung konnten klar identifiziert werden. Weiterhin wurden die saisonalen räumlichen Muster typischer Brandregionen beobachtet. Nur in den Industriegebieten Chinas wurden durchgehend hohe Kohlenmonoxidvorkommen über das Jahr bestimmt. Die weltweit ersten globalen Messungen des Gesamtsäulengehaltes von Methan mit hoher Präzision wurden ermöglicht, indem Messungen von dem relativ gleichverteilten Kohlendioxid als Indikator für den Lichtweg der gemessenen Photonen verwendet wurde. Es zeigte sich, daß die gemessenen Methanvorkommen in weiten Teilen der Erde sehr gut mit simulierten Werten des Chemie– Transportmodells TM3 übereinstimmen. Herausstechend waren stark erhöhte Methankonzentrationen über Reisanbaugebieten in Südostasien. Diese Messungen können daher als direkter Beweis für großräumige Methanemissionen von Reisfeldern angesehen werden. Für den Zeitraum August bis November 2003 wurden weiterhin starke Diskrepanzen zwischen den Messungen und simulierten Werten über tropischen Waldgebieten entdeckt. Messungen von SCIAMACHY über diesen Gebieten zeigten durchgehend signifikant höhere Vorkommen. Diese Beobachtung ließ den Schluss zu, daß die derzeitigen Emissionsinventare der Methanemissionen die Tropen als Quelle deutlich unterschätzen. Ob eine bislang unbekannte Quelle oder nur eine Unterschätzung bereits bekannter Methanquellen verantwortlich zu machen ist verbleibt unklar. Neueste Studien zeigen in der Tat, daß eine bislang unbekannte Methanquelle, nämlich die direkte Emission von Pflanzen, für diese Diskrepanzen verantwortlich sein könnten. Sollten sich diese Indizien durch Validationsstudien verhärten wäre eine Neubewertung des globalen Methanhaushaltes erforderlich. Eine Ausweitung der Analysen auf die Jahre 2003 und 2004 zeigte, dass die Diskrepanzen jeweils in den Monaten August bis Oktober am höchsten sind. Weiterhin konnten im Zweijahresmittel die höchsten Methanvorkommen im roten Becken in China beobachtet werden. Die Präzision derMessungen erlaubt nun, sie in Inversionsmodellen zu verwenden um die zeitliche und geographische Verteilung der Methanquellen zu quantifizieren. Da Methan als zweitstärkstes anthropogenes Treibhausgas im Rahmen des Kyotoprotokols gehandelt wird, ist eine genaue Bestimmung der Quellstärken unabdingbar, und diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt im Hinblick auf die Verwendung von Satellitendaten zur Quellstärkenbestimmung von Treibhausgasen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Ulrich
Date of thesis defense: 16 November 2005
Date Deposited: 10 Jan 2006 09:18
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: NIR-Spektroskopie, Erde / Fernerkundung, Envisat, Methan, Kohlenmonoxid
Uncontrolled Keywords: Methane , remote sensing , SCIAMACHY , near infrared , spectroscopy
Additional Information: Weitere URLs: http://www.copernicus.org/EGU/acp/acp/5/1639/, http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/308/5724/1010
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