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Tomographic Reconstruction of 2-D Atmospheric Trace Gas Distributions from Active DOAS Measurements

Hartl, Andreas

German Title: Tomographische Rekonstruktion 2-D Atmosphärischer Spurengasverteilungen aus Aktiven DOAS Messungen

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Abstract

Applying the tomographic principle to active DOAS remote sensing leads to a novel technique for the measurement of atmospheric trace gas distributions. Standard analytical methods for the reconstruction of a scalar field from its line integrals cannot be used due to low numbers of light paths (10-50) and their irregular arrangement, so that the concentration field is expanded into a limited number of local (piecewise constant or linear) basis functions instead. The resulting discrete linear inverse problem is solved by a least squares-minimum norm principle. For sharp 2-D concentration peaks it is shown systematically with respect to their extension how the optimal choice of parametrisation (in terms of number and kind of basis functions) and a priori can tremendously improve the reconstruction. Regularisation plays a minor role. Proposals for retrieving peak distributions by combining different parametrisations are again examined systematically showing that their usefulness heavily depends on the features one is most interested in. Comparison of different 2-D light path geometries reveals that linear independency within the associated systems is pivotal. A detailed analysis of the reconstruction error points out special issues of tomography with only few integration paths and argues that a complete error estimation is not possible without a priori assumptions. Based on this discussion a numerical scheme for calculating the reconstruction error is suggested. The findings are applied to an indoor experiment simulating narrow emission puffs and 2-D model distributions above a street canyon, respectively. For the latter case it is demonstrated how model evaluation can be possible even with a relatively small number of light paths. Contrary to the reconstruction of peak distributions regularisation becomes crucial.

Translation of abstract (German)

Die Anwendung des tomographischen Prinzips auf die aktive DOAS Fernerkundung stellt eine neue Meßtechnik von atmosph¨arischen Spurengasverteilungen dar, f¨ur die analytische Standardmethoden zur Rekonstruktion von skalaren Feldern aus ihren Wegintegralen wegen der wenigen (10-50), unregelm ¨aßig angeordneten Strahlen nicht anwendbar sind. Stattdessen wird die Verteilung durch eine begrenzte Zahl von lokalen, hier st¨uckweise konstanten oder linearen, Basisfunktionen parametrisiert und das diskrete lineare inverse Problem durch einen Least Squares - Minimum Norm Ansatz gel¨ost. F¨ur r¨aumlich stark begrenzte 2-D Konzentrationsspitzen wird in Abh¨angigkeit ihrer Ausdehnung gezeigt, wie die Rekonstruktion durch optimierte Wahl der Parametrisierung, d.h. Zahl und Art der Basisfunktionen, sowie des A Prioris erheblich verbessert werden kann. Die Regularisierung der L¨osung spielt eine untergeordnete Rolle. Vorschl¨age zur Rekonstruktion von Konzentrationsspitzen durch Kombination verschiedener Parametrisierungen werden systematisch untersucht, wobei deren Erfolg stark von der am meisten interessierenden Eigenschaft der Verteilung abh¨angt. Vergleich verschiedener 2-D Strahlgeometrien ergibt, daß lineare Unabh¨angigkeit des resultierenden Systems entscheidend ist. Eine detaillierte Analyse des Rekonstruktionsfehlers stellt Besonderheiten der Tomographie mit wenigen Strahlen heraus und argumentiert, daß dessen Absch¨atzung ohne A Priori nicht m¨oglich ist. Unter dieser Voraussetzung wird ein numerisches Schema zur Berechnung des Rekonstruktionsfehlers vorgestellt. Die Methoden werden auf ein Innenraumexperiment zur Simulation von Emissionsfahnen, sowie auf 2-D Modellverteilungen ¨uber einer Straßenschlucht angewendet, wobei f¨ur letztere gezeigt wird, wie Modellevaluation trotz weniger Lichtstrahlen m¨oglich sein kann. Anders als f¨ur r¨aumlich begrenzte Maxima besteht hier starke Abh¨angigkeit vom Grad der Regularisierung.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 5 February 2007
Date Deposited: 09 Feb 2007 11:04
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Diskrete Tomographie, Atmosphäre
Uncontrolled Keywords: Spurengase , DOASTrace Gases , DOAS
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