retrieval methods-algoritmi d’inversione misura e.m. →variabile geofisica
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Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation . - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation.
Apart from almost direct measurements of radiation budget at the top of the atmosphere, in the best of the cases the geophysical variable is estimated by analysing some property of the measured e.m. that would interact with variable itself. In some case the measurement is based on some relationship between the variable of interest and some other variable that would interact with the e.m. radiation
(for example wind from roughness)
Retrieval methods-Algoritmi d’inversioneMisura e.m. →Variabile geofisica
– Functional regression– Neural network– Analytical solution– LUT, Bayesian Approach– Variational assimilation– Iterative techniques (first-guess)
Source of calibration/training datasetEmpiricalRTM based
Properties of the e.m. radiationAmplitudeFrequency, Wavelength,EnergyPhase, Polarization
________________________________________________QUANTITA’ SIMBOLO UNITA’______________________________________________________________________
Energia Q JPotenza dQ/dt W=J/sFlusso dQ/dt/dA W/m2
Irradianza monocromatica dQ/dt/dA/dλ W/m2/μmRadianza dQ/dt/dA/dλ/dΩ
W/m2/μm/sr
DEFINIZIONI UTILI DI RADIAZIONE DA ENERGIA A RADIANZA
Frequenza/energia
I parametri di StokesDato il campo elettrico della radiazione e.m.:
I parametri di Stokes sono:
Ottengo i parametri di Stokes dalle seguenti “misure”:
Esprimendo l’intensità:
Useful range for earth atmosphere remote sensing
• Measuring and intepreting the effect of a radiation-matter interaction assumes that:
- you know the e.m. radiation properties before and after the interaction.
- You know the physical nature of the interaction and how it is linked to variable you would like to estimate.
Radiometri, interferometri, Polarimetri.
Radar, Lidar, Altimetro, Scatterometro, SAR.
Sorgenti naturali di radiazioneIL SOLE EMISSIONE TERMICA
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/image_galleries/our_ir_world_gallery.html
METEOSAT 2° Generation18/4/2008 06:00 UTC
INFRAROSSO
www.eumetsat.int
VISIBILE
Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of:
-its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)
Thermal Emission
Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione)
(p,T)Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)Proprieta’ ottiche della superficie/boundaries (λ,Ω)
Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)
GRANDEZZE OTTICHE MACROSCOPICHE DELLO STRATO:
• RIFLETTANZA• ASSORBANZA• EMISSIVITA'• TRANSMITTANZA
Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione)
Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)
Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)
Processi radiativi d’interazione
Calcolo delle proprieta’ ottiche di volume:Spessore ottico, albedo di singolo scattering, proprieta’ angolari dello scattering (per es: g o matrice di diffusione) o T,R,A
Risoluzione numerica dell’eq. Del trasporto radiativo
Risoluzione numerica di eventuali integrazioni angolari e spettrali
e.m. Interaction processes• Absorption (Molecular + associated with
scattering and reflection) • Thermal emission• Scattering*• Reflection*• Others (Stimulated emissions, fluorescence,
Raman scattering)
* Polarizing processes
Molecular absorption
It depends from:• The characteristics of the molecules (i.e.
composition of the atmosphere)• The wavelength• Temperature and pressure of the gas.
Molecular absorptionTo be computed needs for each molecule (including
isotopologues):• Position (wavelength) and intensity of the absorption line
(line atlas> HITRAN, GHEISA)• Functional form of the shape of the absorption line
(Gaussian, Lorentz, Voigt)• Functional form for the continuum• Temperature, pressure and concentration for each
molecule considered.The radiative transfer representation of the process is
through an extinction coefficient (cross section).
Atmospheric absorption
H2O, O2, O3
O2
H2O, N2
( ) ( ) continuum termsi oi
k N S F AbsorptionCoefficientCenter frequency
FrequencyLine Shape
Gas strength factorabundance
Emolecola=Eele+Evib+Erot+Etran
Eele > Evib > Erot > Etran
UV-VIS IR MW
Emolecola= Energia totale della molecola
Eele = Energia elettronica
Evib = Energia associata al moto vibrazionale della molecola
Erot = Energia associata al moto rotazionale della molecola
Etran = Energia associata al moto di traslazione del centro di massa della molecola
CH4
CH4N2O
N2O
N2O
CO2
CH4
O3
H2O
N2
O2
CO
78%
21%
E-E
Energy levels of a molecule
Electronic energy levels; Hydrogen atom
Line broadening
1) Natural broadening Depends on the lifetime of the excited energy level
2) Doppler broadeningDepends on the velocity of the molecule, in thermal equilibrium condition, the velocity distribution depends on the temperature.
3) Pressure broadeningDepends on the collisions with other molecules, in equilibrium conditions on the pressure.
The continuum
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Abs
orba
nce
Wavelength
Gaussian lineshape Lorentzian lineshape
The so-called continuum absorption is caused by the far wings of strong absorption lines, e.g. H2O lines.
Scale di frequenza• Variabilita’ della funzione di Planck:
Calcolo dei flussi, cooling heating rates (500 cm-1)
• Contorno delle bande (50 cm-1)• Spaziatura tra linee rotazionali (1-5 cm-1)• Caratteristiche della linea. Radiazione
mocromatica (validita’ Legge di Beer). ~1/5 line width. 2x10-2 (bassa atmosfera) a 2x10-4 (Doppler width, alta atmosfera)
Soluzioni numeriche per il calcolo dell’assorbimento
molecolare• Line-by-line• Band models• Emissivity models
Band modelsI modelli di banda sono utilizzati per rappresentare la complessita’ degli spettri dati dalle singoli linee
•Random models•Correlated k-band models• etc..(see Goody & Yung 1989)
Correlated k-band model
http://www.cfa.harvard.edu/HITRAN/
http://www.cfa.harvard.edu/HITRAN/
Schematic of Fundamental Spectroscopic Parameters of a Line Transition in
HITRAN.
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Scattering/Diffusione (Reflectance).Si manifesta come variazione della direzione di propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella dell’onda e.m. incidente.
Scattering/Diffusione (Reflectance).Si manifesta come variazione della direzione di propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella dell’onda e.m. incidente. Puo’ anche essere associato ad assorbimento della radiazione.
Scattering/Diffusione (Reflectance).E’ dovuto al passaggio di un onda e.m. da un mezzo ad un altro con differenti proprietà di propagazione (indice di rifrazione complesso*).
* Si introduce l’indice di rifrazione complesso:
m=n+i n’per poter tener conto dell’assorbimento utilizzando la formula per la propagazione dell’onda:
e i(ωt-mkz)
SCATTERING:
Principio di Huygens
Quante lunghezze d’onda l’onda ‘spende’ all’interno del mezzo con differenti caratteristiche ottiche di propagazione?
Scattering: a geometric optics representation
Scattering/Diffusione (Reflectance).Dipende da:- composizione (indice di rifrazione complesso) del mezzo.- cammino ottico relativo* (rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione incidente) all’interno della discontinuità (forma, dimensioni ed orientamento della discontinuità)
* Per es per le sfere di raggio r ed indice di rifrazione reale m:
Size Parameter x=2πr/λ oppure
ρ=2 x (m-1)
Scattering/Diffusione (Reflectance).L’effetto della singola particella scatterante per una data lunghezza d’onda può essere rappresentato da 3 proprieta’:- efficienza nello scatterare.- efficienza nell’assorbire.- efficienza, in funzione della geometria nel ridistribuire angolarmente la radiazione in funzione dello stato di polarizzazione.
Scattering: numerical representation Proprietà ottiche di singolo scattering (Single
Scattering Optical Properties SSOP) - Cross Sections C (Efficiencies Q nel caso di
sfere) - Single scattering albedo: ω- Phase function: Scattering Matrix,Tavola
P(γ), Coefficienti dei Polinomi di Legendre, Asymmetry factor (g), Approximations (e.g.: HG)
Diffraction limit
Yang et al., “Single-scattering properties of complex ice crystals in terrestrial Atmosphere”, Contr. Atmos. Phys., 71, 223-248, 1998.
Scattering: Polarization
http://www.astro.uva.nl/scatter/
Metodi numerici per il calcolo delle proprieta’ ottiche di singola particella
• Rayleigh scattering (particelle relativamente piccole)• Mie scattering (particelle sferiche di dimensioni
comparabili con la lunghezza d’onda) • Metodi numerici per particelle non sferiche (particelle
non-sferiche di dimensioni comparabili con la lunghezza d’onda)
• Ottica geometrica (particelle di forma qualsiasi di dimensioni relativamente grandi)
Casi particolari: pr es: coated spherical particles
Metodi di calcolo per le proprietà ottiche di singolo scattering
Mie scattering & Geometric Optics: Depends from scattering particleamount, shape, dimension & relative orientation particle-wave
Rayleigh scattering: Depends from scattering particleamount
Negligible Scattering: independent from an particle property
&
non spherical particles methods
LID
AR
CLO
UD
RA
DA
R
PR
EC
. RA
DA
R
SU
RF.
RA
DA
R
Esempi programma di simulazione per scattering Mie http://omlc.ogi.edu/calc/mie_calc.html
Ottica Geometrica
Discrete Dipole Approximation
Scattering: da parametri di singola particella a parametri di polidispersione
Definizione di polidispersioneVariabili di polidispersione -> effective radiusEsempi di forme funzionali di distribuzione
dimensionale:- Junge (power law) (aerosols)- Log-normal (aerosols) - Gamma distribution (clouds)- Marshall & Palmer (precipitation)
Una distribuzione dimensionale è definita da:
Distribuzione dimensionale
Esempi di distribuzione dimensionale descritta dalla funzione in basso con 2 valori di a e 3 di b
Calcolo delle proprieta’ di singolo scattering per una polidispersione
Calcolo dei coefficienti di scattering per 2 specie: A, M.
(p,T)
La radiazione scatterata da un generico volume dipende dalla intensita’ e distribuzione angolare della radiazione incidente sul volume che pero’ dipende, atraverso lo scattering dei volumi vicini a sua volta dalla radiazione scatterata
Scattering Multiplo: Metodi Numerici• Ordini di scattering successivi• Doubling or Adding• Invariant imbedding• Funzioni X e Y• Discrete – Ordinate• Armoniche sferiche• Sviluppo in eigenfuction• Montecarlo• Soluzioni analitiche• Pseudo-assorbimento
Accorgimenti numerici: δ-Eddington
Doubling or adding method
Si definisce per la trasmissione diffusa e per la riflessione:
Un prodotto R1R2 implica:
RIFLESSIONE - leggi di ottica geometrica che regolano il
passaggio di radiazione tra mezzi con indice di rifrazione differente
- Formule di Fresnel per luce polarizzata- casi limite: riflettore speculare, riflettore - modellizzazione di superficie corrugate- applicazioni possibili: vento alla superficie, oil
spills, tipo di vegetazione- varie combinazioni flussi radianze del concetto di
riflettanza.
Definizioni S: sorgenteO: osservatore
P: puntualeD: diffusa
Surface reflectance - BRDF
Tipi di riflessione
Calcolo delle proprieta’ di riflettanza: BRDF
Geometria e composizione (indice di rifrazione complesso) degli elementi di superficie
Ottica geometrica
Θo=cost
* *
1 2* *
1 2
*1 2
* 1 2
cos cos 2 ...cos cos 2 ...1
sin sin 2 ...2 / 2Resin sin 2 ...
2 Im
v v h ho
v v h h o
v h
v h
E E E EI I II
E E E E Q Q QQU UU E EV UV E E
L
Surface emissivity - Oceans
Directional wind roughened surface: Sea-water permittivity Fresnel equations (I, Q, U, V)Large-scale wavesGravity-capillary, capillary waves (>
2m/s)Whitecaps (> 7 m/s)Foam (> 10-12 m/s)
EMISSIONE TERMICA• CORPO GRIGIO• LEGGE DI KIRCHOFF• BRIGHTNESS TEMPERATURE
Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of:
-its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)
Thermal Emission
http://www.icess.ucsb.edu/modis/EMIS/html/em.html
Source Function (SF) in Non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE)
• In generale la SF e’ una funzione della popolazione dei livelli coinvolti in ogni transizione
• In LTE la popolazione dei livelli dipende solo dalla temperatura e quindi la SF e’ la funzione di Planck
• In generale la popolazione dei livelli di una molecola dipende dal campo di radiazione in cui la molecola si trova
• In LTE le collisioni sono cosi’ frequenti da portare molto velocemente la popolazione di un livello alla distribuzione di Boltzmann corrispondente alla Temperatura cinetica del gas
• In Non-LTE le collisioni termiche sono meno importanti e quindi gli stati eccitati non si deattivano per urto ma per altri fenomeni. Cosi’ la popolazione dei livelli NON ha relazione con la Temperatura cinetica
• Il problema di trovare la SF in Non-LTE si trasferisce nel problema di trovare la popolazione dei livelli energetici coinvolti nell’interazione radiazione materia
Sviluppo di algoritmi d’inversione
EmpiriciNeural network Modelli numerici di trasferimento radiativo
Radiative transfer modeling•Model type/purpose: simulazione di strumenti, calcolo di flussi radiativi (per s all’interno di modelli di previsione numerica)•Spectral range/integration•Angular integration•Polarization•Physical Processes/level of parametrization•Geometry: plane parallel, spherical, 3D.•Input•Output•User friendly•Examples
OBSERVATION GEOMETRY (S, V, )
SURFACE ( (S, V, , ) ,zo)
CLOUDS (SSOP( ,z)*,( ,z))
AEROSOLS (SSOP( ,z)*,( ,z))
INSTRUMENT CHARACTERISTICS :
NOISE, FILTER RESPONSES, MULLER SIMULATED
INSTRUMENT
MODEL
RADIATIVE
TRANSFER
EQUATION SOLVER
ALTITUDE
INCLINATION
PERIOD
EQ. PASS. TIME
SCANNING
CHARACTERISTICS
ORBIT MODEL
SCANNING MODEL
EARTH SUBSATELLITE POSITION
INSTRUMENT SIMULATOR• GAS ABSORPTION FROM MAJOR AND MINOR GASES
• MULTIPLE SCATTERING
• POSSIBILITY TO INTRODUCE USER DEFINED DETAILED INPUT
• SPECTRAL RESOLUTION AND RANGE ADEGUATE
CLEAR SKY ATMOSPHERE THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z))
INPUT UPWELLING
RADIANCES
SIMULATEDMEASURED
RADIANCES
(*) SSOP: Single Scattering Optical Properties
SSA
Legendre Polynomial coefficients
GAS EXTINCTION PROFILE (( ,z))
MOLECULAR SCATTERING PROFILE (SSOP( ,z),( ,z))
LBLCLEAR SKY ATMOSPHERE THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z)) GAS EXTINCTION PROFILE (( ,z))
HITRAN 2000
TAPE 1
LNFL
RANGE
GAS MOLECULES
TAPE 3
GEOGRAPHYCAL POSITION (LAT,LON) TOPOGRAPHY MODEL
z(LAT,LON))SURFACE COMPOSITION
BRDF MODELREFRACTIVE INDEX DB
m(λ,surface) SURFACE ( (S, V, , ) ,zo)
?
SSOPM
MIEV0
CLEAR SKY ATMOSPHERE THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z)) μPhysical model
AEROSOLS (SSOP( ,z)*,( ,z))
SD PROFILE (SD(z,aerosol))COMPOSITION PROFILE (SD(z,aerosol))
COMPOSITION
↓
REFRACTIVE INDEX
REFRACTIVE INDEX DB
m(λ,aerosol)
REFRACTIVE INDEX
m(λ,z,aerosol)
MIXTURE TYPE
Ext,Int
SHAPE
S(SD,z,aerosol)
CLOUDS (SSOP( ,z)*,( ,z))
SSOPM
MIEV0WATER CLOUDS (SSOP( ,z)*,( ,z))
SD PROFILE (SD(z,water))
REFRACTIVE INDEX
m(λ,z,water)
SHAPE
S(SD,z,water)
δ-M
Comments on RTM• Completeness of the represented processes.
(e.g. type of absorption band model, numerical solution of the multiple scattering)
• Assumptions (e.g. Lambertian surface representation)
• Internal database (e.g. angular representation of single scattering properties)
Alcuni siti d’interesse che permettono di fare simulazioni on-line
www.colorado.edu/physics/phet/simulations/blackbody/blackbody.swfhttp://omlc.ogi.edu/calc/mie_calc.html
http://arm.mrcsb.com/sbdart/http://irina.eas.gatech.edu/rad-codes.htmhttp://6s.ltdri.org/
ESEMPI DI MOTIVAZIONI PER LA POSIZIONE DEI CANALI PER
ALCUNI STRUMENTI(MODIS e SEVIRI)
CLM: Cloud microphysical properties
Dataset terminologyLEVEL 0: Raw data [binary counts] Space agencyLEVEL 1: Image data in sensor co-ordinates. Individual
calibrated channels.[Radiances] Algorithm developers.CalibrationLEVEL 2: Derived geophysical variables geolocated but
generally still in image coordinates UsersL1→L2 Algorithm Theoretical Basis Document: ATBDValidationLEVEL 3: Composite (time and space: e.g. monthly 1°x1°)
geophysical products resampled into standard map projection (single sensor can still contain gaps) Users
LEVEL 4: As level 3 with gaps filled. This can be done by merging level 3 from different sensors or filling the gaps with models (objective analysis, forecast model etc..) Users
• http://mirador.gsfc.nasa.gov/• www.eumetsat.int• http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni• http://modis.gsfc.nasa.gov/data/• www.ssmi.com