文摘
改善机载简洁大气微量气体检索映射器(ACAM) DSICOVER-AQ活动期间,我们描述信号噪声比(信噪比)的ACAM测量。从拟合残差的标准差,ACAM最低点测量的信噪比估计从1000 ~ 300在310 nm ~蓝色光谱区;顶点数据由于吵着减少照明水平和降低系统吞吐量和突然的反常也显示更多的像素值;因此,开发一种新的方法来获得一个太阳能辐照度参考大气顶部的最低点(TOA)平均测量,仪器光谱分辨率和包括仪器校准特征。使用这个引用可以显著降低拟合残差,提高检索。这种方法获取绝对参考直接涉及辐射传输计算拟合的算法,从而可以应用于飞机和地面测量。的比较ACAM光辉与模拟使用同步臭氧探测仪和OMI数据显示大wavelength-dependent偏见ACAM数据,不同在310 nm ~−19%到5%在360海里。纠正ACAM光辉direct-fitting建立臭氧轮廓算法显著提高了一致性和OMI总臭氧。
1。介绍
机载简洁大气映射器(ACAM)是一种紫外线(UV) /可见/近红外光谱仪的光谱范围304 - 910 nm (1]。已经飞在NASA UC-12飞机在垂直俯视模式和更经常在zenith-sky模式DISCOVER-AQ活动作为主要机载仪器提供遥感列O的丰度3,没有2,CH2阿列观察包括概要文件部分O和探索3列(2]。
检索啊3概要文件或微量气体垂直列密度(vcd) ACAM数据直接拟合光辉和利用最优估计反演技术,关键是执行精确的辐射校正和特征信号噪声比(信噪比)的测量测量约束(3,4]。刘等人。3)进行实证辐射校准OMI数据通过比较测量辐射模拟光辉使用地带性意味着微波肢体健全的(MLS) O3平流层的概要文件和气候O3对流层中的配置文件。类似的方法可以应用于ACAM测量但使用同时观察O3探头配置文件在DISCOVER-AQ运动。ACAM测量的信噪比可以通过检查随机确定拟合残差的一部分。
因为它是不可能的外星太阳能辐照度测量相同的光谱仪器地面或飞机紫外/可见光谱测量,各种方法被用来获得参考光谱检索从这些测量微量气体丰度。经典的兰利外推法得出推断的外星太阳能辐照度测量辐照度为零气团移除大气的影响(5- - - - - -7]。一般被用于啤酒和多布森测量测量O3和气溶胶光学深度,但它必须是在一个非常干净大气的网站(例如,莫纳罗亚山,夏威夷)在非常特殊的条件下(例如,万里无云的,很少在测量期间大气变化的几个小时在上午或下午)。大气变化和仪器不稳定会导致错误的大气中通过这种方式(TOA)太阳能辐照度派生。更广泛使用的方法,特别是对于检索从紫外/可见光谱痕量气体,是使用zenith-sky或清洁背景测量引用(8- - - - - -16]。检索使用这样执行参考光谱的结果之间的差量测量和参考光谱。统计方法如最少兰利推断(企业)和bootstrap-estimation或其他相关测量方法常常是用来参考光谱中得到偏移量(9,17]。此外,更复杂的使用这样的光辉之参考光谱直接拟合与辐射传输计算获得绝对数量从最低点和zenith-sky测量。Tzortziou et al。18)卷积校准高分辨率太阳辐照度文献[19)与仪器狭缝函数推导出外星潘多拉从地面太阳光谱辐照度测量获取绝对总O3。然而,辐射/波长校准参考高分辨率和测量之间的差异往往导致大错误小示踪气体决定。本文研制了一种新技术获得TOA太阳能辐照度参考光谱从飞机最低点/天顶测量。
本文的主要目的是执行ACAM绝对辐射校正,描述仪器测量信噪比,获得适当的TOA参考光谱为提高微量气体检索从ACAM测量在2011年巴尔的摩-华盛顿特区DISCOVER-AQ运动。它是有组织的如下。ACAM仪器和数据分析部分中描述2。部分3关注的波长和狭缝函数标定和表征ACAM信噪比和识别问题的谱像素。部分4提出了一种新的方法,推导TOA太阳光谱辐照度的参考。部分5本研究的结论。
2。ACAM仪器和数据分析
机载简洁大气映射器(ACAM)飞在NASA UC-12飞机设计和建造在美国航天局戈达德太空飞行中心(戈达德宇航中心)。ACAM的科学目标是提供遥感观测对流层和边界层污染物来帮助理解一些最重要的污染物,直接影响人们的健康。ACAM仪器包括两个光谱仪,空气质量(AQ)光谱仪和海洋颜色(OC)摄谱仪。第一个,紫外/可见AQ光谱仪,涵盖了304 nm - 520 nm的中等分辨率光谱区0.8海里。这是优化的测量对流层污染物和水蒸气。第二个,OC摄谱仪,介绍了光谱区从460纳米到900纳米的分辨率为1.5 nm优化海洋颜色,水汽和气溶胶。他们在两种浏览模式,最低点和天顶看来,空间分辨率的~ 1.5×0.75公里2最低点视图。ACAM仪器的详细描述可以在找到1]。
圣的基本光学吸收光谱(博厄斯)示踪气体拟合的波长和狭缝函数算法适应进行校准和微量气体的光谱拟合20.),刘et al。(详细描述21]。在这项研究中,我们使用派生扩大高斯狭缝函数参数从ACAM数据(21]preconvolution微量气体的横截面。拟合的算法相当敏感检索配件等输入参数设置窗口,多项式用于删除的顺序观察光谱的缓慢变化,和其他相关的吸收微量气体。在这项研究中,通过深入调查,O3,没有2,一氧化碳是优化主要通过使用新的拟合窗口318 - 335 nm, 430 - 485 nm,分别和324 - 457海里。
3所示。仪器信噪比特征和辐射校准
拟合残差包含系统组件以及一个随机组件。标准偏差(即。,random component) of mean fitting residuals can generally be used to characterize the SNR of the ACAM measurements. Figure1显示了三种拟合拟合残差的标准差windows源自一天的ACAM最低点查看和zenith-sky数据在7月21日,2011年。一般来说,他们除了一些反映ACAM光谱的信噪比像素异常像素,特别是在zenith-sky测量。最低点测量信噪比的增加从700 ~ 300约310 nm ~ 340 nm和1000年蓝色光谱区。注意,ACAM测量8个样本/应用,有效地提高了信噪比的1.63倍相比,测量与3样品/应用(例如,OMI)。顶点数据由于吵着减少照明水平和降低系统吞吐量通过天顶光纤端口。异常像素顶点数据可能与仪器辐射校准问题,表明当前的顶点数据不足作为参考质量检索从最低点测量痕量气体。我们已经确定了这些像素与峰值之前版本的最低点数据和报告他们ACAM校准团队。他们告诉我们,这些像素受到暗电流校正不足的影响。如图1;大多数这些峰值已被移除ACAM最低点的最新版本数据。他们可能从天顶测量在未来。
(一)
(b)
(c)
为了调查的质量ACAM辐射校准并执行必要的修正ACAM光辉光耀之直接拟合与辐射的计算,我们比较ACAM光辉使用向量线性离散纵坐标与模拟辐射辐射传输模型(VLIDORT) [22),类似于刘描述的比较等。3]。提高仿真的准确性,我们使用臭氧探测仪概要文件以贝茨维尔(39.1°N, 76.9°W)和埃奇伍德(39.4°N, 76.3°W)在2011年DISCOVER-AQ飞行活动集中的ACAM观察2小时内和0.01°经度和纬度低于100 hPa和缩放气候平流层臭氧资料从McPeters et al。23)来匹配每日天桥OMI O3臭氧总量列(6小时内和0.07°1°经度和纬度,6 DU添加到占已知系统抵消OMTO3由于使用的低音和包横截面)。总共158搭配48臭氧探测仪概要文件中使用的模拟。
图2(一个)显示个人ACAM百分比差异和模拟辐射的光谱范围309 - 360 nm的搭配(颜色)和平均差异(黑)。平均差异不同~−19% ~ 5%显示显著的波长依赖性。不同的是零在347.2海里,我们云信息来自这个波长区域匹配模拟和ACAM光辉。因此,这些是相对wavelength-dependent差异,实际上影响臭氧概要算法(3]。有显著变化派生的差异(5% ~ 10%在310 nm ~ 360 nm)由于时间和地点的不匹配和不确定性/臭氧使用配置文件中的错误。一致的整体特性的存在对这些搭配显示的存在wavelength-dependent辐射校准当前ACAM数据中的错误。ACAM校准团队目前正在重新审视ACAM绝对辐射校正的改进,尤其是在消除杂散光组件变得越来越重要在波长350纳米以下。显示的重要性,应用这种算法修正基于最优估计臭氧概要(3]ACAM数据的修改,我们应用实证校正ACAM光辉使用平均差别和检索臭氧概要文件从ACAM光辉的光谱区318 - 335 nm 7月21日,2011年。图2 (b)比较检索总臭氧有和没有应用这种修正。应用修正后,臭氧总量明显减少,杜~ 35,更符合的天桥OMI总臭氧列309±0.6 DU,而且似乎不太吵了。
(一)
(b)
4所示。派生的TOA太阳能辐照度参考
研制了一种新方法推导出TOA太阳能辐照度参考光谱光谱窗口从ACAM最低点测量。首先,我们选择几百最低点测量与类似的光辉和相对较小的SCDs(通过初始谱拟合)气(即目标跟踪的。,因为没2和CH2O)和派生平均最低点辐射谱。最低点测量的平均相似的光辉显著减少随机噪声的测量。其次,我们使用太阳能参考光谱分辨率与派生的狭缝函数卷积在拟合窗口大于目标跟踪气体拟合窗口~ 2 nm两边同时模拟辐射谱。安装示踪气体SCDs来自两部分:(a)中包含的实际大气中微量气体和(b)使用的构件,介绍了结构类似于目标跟踪的一些气体。一般来说,前者是更大啊3,但后者更大的小痕量气体。第三,通过替换与所有安装和应用参数在扭转过程中,我们可以推导出太阳辐照TOA根据 尺度参数。,,是初始的基函数插件,比尔定律,和第二附加模式,分别和,,是相应的系数。基函数可以包含微量气体横截面,环效应,欠采样光谱,常见的残余光谱。每个基函数通常包含在只有一个模式(例如,横截面、环效应(机会和性欲,1997)和共模)。和分别是扩展和基线多项式。选择上面的流程是否适用目标跟踪的气体。应用取消的部分,使工件的一部分。另一方面,不应用取消工件部分,留下的部分在。包含一个系统抵消从目标气体在这两种情况下。为了减少系统抵消,我们申请对啊3和不适用其他次要的痕量气体。
派生的是一个太阳能辐照度参考仪器光谱分辨率,包括仪器校准特征。时作为参考在微量气体的检索,它取消了大部分的系统仪器校准功能,从而改善相对均方根(RMS)的拟合残差值见下一段。它可以来自最低点或天顶测量,但由于更频繁的最低点测量和高品质(如图1),我们得出TOA太阳能使用最低点测量参考。这种方法也可以应用于地面或卫星测量测量如果高质量太阳能辐照度测量并不可用。尽管它包含了一些系统性的抵消,它可以作为一个绝对参考光谱直接涉及辐射计算拟合的算法(如臭氧资料检索算法)从最低点和天顶测量。
显示检索改进使用我们啊,我们比较检索3,CH2啊,没有2SCDs使用三个参考图3。另外两个参考比较平均zenith-sky参考和TOA太阳辐照度参考通过直接卷积的太阳辐照高分辨率光谱ACAM狭缝函数使用(1)。非常类似于我们导出吗除了它不包含ACAM校准功能。使用大大降低拟合均方根值和拟合的不确定性尤其对CH2啊,没有23和4倍以上。平均天顶CH参考给更好的精度2O拟合,比较拟合精度和更好的RMS的不确定性2拟合,更糟糕的是精密O3相比,。虽然天顶参考也是衡量ACAM仪器,大型配件RMS的光程差可能是因为天顶端口从最低点端口,通过使用额外的光纤,系统校准顶峰和谷底之间的差异数据,和贫穷的顶点数据的信噪比。太阳辐照TOA引用都是绝对引用,给实际SCDs在大气中,而平均天顶参考是一个相对的参考,给很小甚至负O3SCDs尤其是当太阳天顶角很小。然而,对于CH2啊,没有2安装,使用导致大型系统的补偿,~ 2×1017和~ 1016分子厘米−2对CH2啊,没有2分别从卷积太阳能辐照度主要是由于工件。相比,天顶参考类似的没有2SCDs但大CH2O SCDs的~ 4×1016分子厘米−2。
5。摘要
在这项研究中我们估计的信噪比和识别异常光谱像素数据拟合残差的标准差。ACAM最低点测量的信噪比从300 ~ 310纳米左右增加到700 ~ 340 nm和1000的蓝色光谱区。天顶是吵着和数据显示更多的异常像素,显示暗电流校准问题。这也表明,当前的天顶光谱质量不足作为示踪气体的检索参考光谱。使用配置的对流层臭氧探测仪测量和气候O3平流层的缩放匹配天桥OMI臭氧总量列,我们模拟的光辉和比较ACAM辐射紫外线(~ 309 - 360海里)。平均差异显示波长依赖性强,不同在310 nm ~−19%到5%在360 nm,的大型wavelength-dependent辐射校准当前ACAM数据中的错误。使用的平均差异作为修正ACAM光辉,我们评估的影响修正检索总臭氧使用基于最优估计臭氧配置算法。校正减少~ 35杜总臭氧,使之更符合重合OMI总臭氧。
我们开发了一个新方法推导出TOA太阳辐照度参考仪器光谱分辨率,包括飞机最低点测量仪器校准特征,通过扭转校准过程。我们比较检索的性能3,CH2啊,没有2SCDs使用这种派生TOA参考与使用平均天顶直接引用和TOA引用卷积高分辨率太阳辐照度与衍生工具狭缝函数。使用我们的派生TOA参考显著减少拟合RMS /不确定性(CH 3和4倍2啊,没有2)。它给绝对啊3SCDs天顶参考相比,大大减少了人工补偿在CH2啊,没有2SCDs相比直接卷积TOA参考。这种方法可以应用于飞机和地面测量获得检索参考光谱,可作为直接拟合的绝对参考算法涉及辐射计算,虽然它仍然导致派生系统的补偿量一样大部分的传统飞机/地面参考光谱测量。
信息披露
当前地址c。刘是中国科学技术大学,合肥,安徽,中国。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
赞助在巴西工作是由美国宇航局提供的赠款NNX11AH77G和NNX12AJ66G作为NASA地球的一部分Venture-1 DISCOVER-AQ项目和史密森学会。作者感谢安妮·汤普森(美国航空航天局/戈达德宇航中心)和Everette约瑟夫(哈佛大学)提供了臭氧探测仪Edgewood和贝茨维尔网站的数据,分别。他们承认詹姆斯·克劳福德,他对这项工作的大力支持。