German Title: Die Anwendung von multispektraler Polarimetrie in der atmosphärischen Fernerkundung durch die MAX-DOAS Methode

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Abstract

Multi-AXis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) is a well-established remote sensing technique for the detection of atmospheric aerosol and trace gases. Ultra-violet and visible radiation spectra of skylight are analysed to obtain information on different atmospheric parameters. An appropriate set of spectra recorded under different viewing geometries ("Multi-Axis") allows to infer aerosol and trace gas vertical distributions as well as aerosol properties by applying numerical inversion methods. It is well known but not yet used in MAX-DOAS applications that, besides the spectra, the polarisation state of skylight provides additional information on the atmospheric conditions. The major aim of the presented work was to assess the potential of polarimetric MAX-DOAS observations. For this purpose, a novel polarization-sensitive MAX-DOAS instrument (PMAX-DOAS) and a corresponding inversion algorithm (RAPSODI) were developed, capable to record and process polarimetric information. Furthermore, RAPSODI is the first MAX-DOAS inversion algorithm allowing to retrieve aerosol microphysical properties.

Compared to conventional non-polarimetric MAX-DOAS approaches, the information on the atmospheric state contained in polarimetric observations is strongly enhanced: assuming typical viewing geometries, the degrees of freedom of signal increase by about 50% and 70% for aerosol vertical distributions and aerosol properties, respectively, and by approximately 10% for trace gas vertical profiles. For an ideal atmosphere, the studies on synthetic data predict an improvement in the results’ accuracy (root-mean-square differences to the true values) of about 60%, 40% and 10% for aerosol vertical columns, aerosol properties and trace gas vertical columns, respectively.

Translation of abstract (German)

Die Multi-Axiale differentielle optische Absorptionsspektroskopie (MAX-DOAS) ist eine etablierte Fernerkundungsmethode zum Nachweis von atmosphärischen Aerosolen und Spurengasen. Sie basiert auf der Analyse von Himmelslichtspektren im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich. Die Kombination von mehreren unter verschiedenen Sichtgeometrien aufgenommenen Spektren („Multi-Axial“) ermöglicht es, Vertikalverteilungen von Aerosolen und Spurengasen sowie Aerosoleigenschaften abzuleiten. Letzteres geschieht unter Anwendung von numerischen Inversionsverfahren. Es ist bereits länger bekannt, dass der Polarisationszustand des Himmelslichts zusätzliche Informationen über den atmosphärischen Zustand liefern kann. Dies wurde in bisherigen MAX-DOAS Messungen jedoch nicht ausgenutzt. Hauptziel der vorgestellten Arbeit war es, das Potenzial polarimetrischer MAX-DOAS Messungen abzuschätzen. Zu diesem Zweck wurden ein polarisationsempfindliches MAX-DOAS-Instrument (PMAX-DOAS) und ein entsprechender Inversionsalgorithmus (RAPSODI) entwickelt, die sowohl die Erfassung als auch die Verarbeitung polarimetrischer Informationen erlauben. RAPSODI ermöglicht außerdem als erster MAX-DOAS Inversions-Algorithmus die Bestimmung von mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften. Im Vergleich zu herkömmlichen MAX-DOAS-Messungen, die keine Polarisation berücksichtigen, konnte für die polarimetrischen Messungen ein signifikanter Informationszuwachs bzgl. des atmosphärischen Zustands festgestellt werden: unter typischen Sichtgeometrien erhöht sich die Anzahl ableitbarer Freiheitsgrade für Aerosolprofile und Aerosoleigenschaften um etwa 50% bzw. 70%, für Spurengasprofile um etwa 10%. Unter der Annahme idealer Messbedingungen, prognostizieren die Studien anhand synthetischer Daten eine Verbesserung der Messgenauigkeit (mittlere quadratische Abweichung zum wahren Wert) von etwa 60%, 40% und 10% für vertikale Aerosolsäulen, Aerosoleigenschaften und vertikale Spurengassäulen.