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Model and algorithm development for the retrieval of atmospheric aerosol properties from nadir mode measurements by the DOAS instrument SCIAMACHY onboard Envisat

Sanghavi, Suniti Vinod

German Title: Modell- und Algorithmenentwicklung für die Erkundung von atmosphärischen Aerosoleigenschaften aus Nadirmessungen des DOAS Instrumenten SCIAMACHY auf Envisat

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Abstract

Der Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre ist mit grossen Unsicherheiten verbunden und bedarf intensiver Forschung. In dieser Arbeit wurde ein Inversionsalgorithmus entwickelt, um aus Daten des SCIAMACHY-Spektrometers an Bord von Envisat die optische Dichte von Aerosolen (AOT), deren Angstrom Exponent sowie die vertikale Höhenverteilung unter Verwendung von Spektren im Bereich der O2 A- und B-Banden abzuleiten. Modellieren gemessener Reflektanzen ist für die Bestimmung sowohl der Bodenalbedo als auch der Aerosoleigenschaften essentiell. Es wurde 'AeroRad', ein 10-Strahl 1D plan-paralleles Strahlungstransportmodell entwickelt, um die gemessene Strahlung zu simulieren. Ein neues Merkmal von 'AeroRad' ist die symmetrische Ausrichung der 10-Strahl Geometrie längs der Achse der einfallenden Sonnenstrahlung. Dies erlaubt eine bessere Simulation der für Aerosole typischen preferentiellen Vorwärtsstreuung. Sensitivitätsstudien wurden mit synthetischen Messungen durchgeführt, wobei sich die Inversion als sehr robust erwies. Zur Behandlung instrumenteller Probleme wie fehlerhafter radiometrischer oder Wellenlängen Kalibration wurden Korrekturfaktoren in den Zustandsvektor der Inversion eingebaut, um diese Parameter simultan mit den Aerosoleigenschaften zu invertieren. Die Inversionsmethode wurde mit SCIAMACHY Daten über Kanpur (Indien) im Jahre 2003 getestet. Ein Vergleich monatlicher Mittelwerte der invertierten AOT zeigt eine gute Übereinstimmung mit bodengebundenen Messungen des AERONET Netzwerkes. Ein Anstieg der AOT von April bis Juni wurde beobachtet und kann mit saisonalem Auftreten von Wüstenstaub erklärt werden. Obwohl die Bestimmung globaler Aerosoleigenschaften mit der hier entwickelten Inversionsmethode noch unrealistisch scheint, so wurde gezeigt, dass eine Inversion mehrerer Aerosolparameter anhand SCIAMACHY Daten möglich ist.

Translation of abstract (English)

The impact of aerosols on the earth's radiation budget is subject to large uncertainties and warrants further investigation. In this work, an inversion procedure has been developed for the retrieval of aerosol optical thickness (AOT), Angstrom exponent and the vertical profile of the aerosol concentration over a ground pixel from measurements made by the instrument SCIAMACHY onboard Envisat, using moderate resolution spectra around the O2 A and B bands. Forward modeling of the measured reflectances is essential for both albedo determination and aerosol retrieval. 'AeroRad', a 10-stream 1D plane parallel radiative transfer model has been developed to simulate observed reflectances. A novel feature of AeroRad is the symmetric alignment of its streams around the direction of incident direct solar radiation, allowing for better simulation of strong forward peaks typical of aerosols. Sensitivity studies have been carried out using synthetic measurements, wherein the retrieval method has proved to be fairly robust. Instrumental issues such as wavelength and radiometric calibration errors are dealt with by incorporating correction factors into our state vector, retrieving them simultaneously with the aerosol properties. The inversion is tested for SCIAMACHY measurements over Kanpur, India during the year 2003. Comparing mean monthly AOT's, a good agreement between our retrievals and AERONET measurements is obtained. An increase in AOT in April-June could be observed and can be associated with seasonally wind-blown dust. Although global coverage of aerosols using the full retrieval procedure may not yet be realistic, it is shown that an inversion of multiple aerosol parameters is possible using SCIAMACHY data.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Dr. Ulrich
Date of thesis defense: 10 December 2008
Date Deposited: 17 Apr 2009 07:12
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Atmosphärisches Aerosol, Satellitenfernerkundung, Strahlungstransport, Modellierung, Inversion <Mathematik>
Uncontrolled Keywords: aerosol , satellite retrieval , radiative transfer modeling , inversion , optimal estimation
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