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Aerosol remote sensing from ground-based polarized sky-radiance under cloudy conditions
Aerosol remote sensing from ground-based polarized sky-radiance under cloudy conditions
Für ein besseres Verständnis der Wechselwirkungsprozesse zwischen Aerosolen und Wolken ist es nötig diese in der Umgebung von Wolken zu untersuchen. Polarisationsaufgelöste Messungen haben sich als adäquate Erweiterung klassischer, multispektraler Photometrie bewährt, da sie zusätzliche Information über die Teilen enthalten. In dieser Arbeit wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, um mikrophysikalische und optische Aerosoleigenschaften aus bodengebundenen, polarisations- und wellenlängenaufgelösten Messungen der Himmelshelligkeit abzuleiten. Dieser beinhaltet eine Technik zum detektieren und entfernen bewölkter Messpunkte, wodurch die Methode bei teilweiser Bewölkung anwendbar ist. Es wurden numerische Studien mit synthetischen Beobachtungen durchgeführt, die mit 3D Monte-Carlo Strahlungstransportrechnungen erzeugt wurden und unterschiedliche Wolkensituation enthalten, wie Straßen aus Quaderwolken oder realistischere Wolkenfelder aus Large-Eddy-Simulationen (LES). Diese werden zunächst verwendet, um Veränderungen der gemessenen polarisationsaufgelösten Strahldichte zu bestimmen, die durch von Wolken induzierte 3D-Stahlungseffekte entstehen. Die unpolarisierte Strahldichte wird in unmittelbarer Nähe zu Wolken bei 550 nm um bis zu 55% erhöht. In der selben Situation wird die polarisierte Strahldichte verringert, jedoch nur um ungefähr 25%. Als nächstes wurde der Einfluss dieser veränderten Messungen auf die aus ihnen abgeleiteten Aerosoleigenschaften untersucht. In den meisten Fällen konnten Effektivradius und optische Dicke zuverlässig bestimmt werden, sogar wenn ein großer Teil (bis zu 70%) des Himmels mit Wolken bedeckt war. Die optische Dicke des Aerosol wird in der Regel leicht überschätzt, jedoch um nicht mehr als 0,03 oder 10%. Der abgeleitete Effektivradius der Feinpartikel stimmt auf 0,04 µm genau, unabhängig vom Grad der Bewölkung. Für den Effektivradius der Grobpartikel wird der Fehler hin zu größeren Teilchen höher. Der Realteil des Brechungsindex wird in den meisten Fällen überschätzt. Im zweiten Teil wurde der Algorithmus auf Messungen des multispektralen Sonnenphotometers SSARA angewendet. Dieses wurde bereits mit Polarisationsfiltern ausgestattet, um bei 501,5 nm die polarisierte Strahldichte messen zu können. Während der A-LIFE Messkampagne, die im April 2017 in Zypern stattfand, sammelte SSARA an 22 Tagen Messdaten. Hier werden drei Fallstudien gezeigt: Die erste veranschaulicht das Verhalten des Algorithmus bei teilweiser Bewölkung. Im zweiten Fall herrschte aufgrund einer Saharastaubschicht eine hohe Aerosolbelastung bei ansonsten klarem Himmel. Der dritte Fall beschreibt das Aufziehen von Feinpartikel-Aerosolen aus Waldbrandgebieten. Während der Vorbereitung des Instruments wurde zudem eine neuartige radiometrische und polarimetrische Kalibriermethode entwickelt, die es erlaubt gleichzeitig die Güte und die Winkel der Polarisationsfilter mit hoher Genauigkeit zu bestimmen (entsprechend auf 0,002 und unter 0,1°). Des weiteren wurde eine neue Methode für die Kalibrierung unserer altazimuthalen Montierung verwendet, die eine Korrektur der Positionierung des Messkopfs auf unter 32 arcmin ermöglicht. Dies ist momentan durch die Genauigkeit des verwendeten Sonnensuchers beschränkt. Diese beiden Kalibriermethoden sind auch auf andere Sonnenphotometer anwendbar, wie zum Beispiel die Cimel CE318-DP Instrumente, die in AERONET verwendet werden., To study aerosol-cloud interactions, observations in the vicinity of clouds are necessary. Polarimetry has proven to be a useful enhancement to classical multispectral photometry to infer aerosol optical properties, as polarized radiation contains additional information about the particles. In this thesis, a new retrieval algorithm for the retrieval of microphysical and optical aerosol properties from ground-based polarized and multispectral sky radiance measurements was developed. It includes a cloud screening mechanism that makes the method applicable to partly cloudy situations. Numerical studies have been conduced with synthetic observations generated using 3D Monte-Carlo radiative transfer simulations of different cloud situations, including cuboid cloud streets and more realistic Large-Eddy simulation (LES) generated cloud fields. These are used to first determine the 3D radiative cloud effects observable in the measured polarized radiances as a function of cloud distance. Total radiance is increased by up to 55% on average close to clouds at 550 nm, while linear polarized radiance is reduced, but only by about 25% in the same case. The influence of these altered measurements on the aerosol properties retrieved from them was investigated next. For most cases, effective radius and optical depth of the aerosol can be retrieved well, even if a significant portion (up to 70%) of the sky is covered by clouds. The aerosol optical depth is typically slightly overestimated (not more than 0.03 or 10%). The retrieval of fine mode particle effective radius is accurate to within 0.04 µm regardless of the cloud contamination. For the retrieved coarse mode effective radius the error becomes larger towards bigger particles. A positive bias in the retrieved index of refraction has been observed in most cases. In a second step, the retrieval was applied to measurements made with the SSARA multispectral sun and sky photometer, which has previously been equipped with polarizer filters to measure polarized radiance at 501.5 nm. During the A-LIFE field campaign in Cyprus in April 2017, SSARA collected 22 days of data. Here, three case studies are presented: The first demonstrates the performance of the retrieval under partially cloudy conditions. In the second case, a high aerosol load due to a Saharan dust layer was present during otherwise perfect clear sky conditions. Fine mode dominated Biomass burning aerosol was observed in the third case. During the preparation of the instrument, a novel radiometric and polarimetric calibration method has been developed, which simultaneously determines the linear polarizers' diattenuation and relative orientation with high accuracy (0.002 and below 0.1°, respectively). Furthermore, a new calibration method for the alt-azimuthal mount capable of correcting the instrument's pointing to within 32 arcmin was implemented. So far, this is limited by the accuracy of the sun-tracker. Both these methods are applicable to other sun and sky radiometers, such as Cimel CE318-DP instruments used in AERONET.
Not available
Grob, Hans Christian
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Grob, Hans Christian (2019): Aerosol remote sensing from ground-based polarized sky-radiance under cloudy conditions. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Für ein besseres Verständnis der Wechselwirkungsprozesse zwischen Aerosolen und Wolken ist es nötig diese in der Umgebung von Wolken zu untersuchen. Polarisationsaufgelöste Messungen haben sich als adäquate Erweiterung klassischer, multispektraler Photometrie bewährt, da sie zusätzliche Information über die Teilen enthalten. In dieser Arbeit wurde ein neuer Algorithmus entwickelt, um mikrophysikalische und optische Aerosoleigenschaften aus bodengebundenen, polarisations- und wellenlängenaufgelösten Messungen der Himmelshelligkeit abzuleiten. Dieser beinhaltet eine Technik zum detektieren und entfernen bewölkter Messpunkte, wodurch die Methode bei teilweiser Bewölkung anwendbar ist. Es wurden numerische Studien mit synthetischen Beobachtungen durchgeführt, die mit 3D Monte-Carlo Strahlungstransportrechnungen erzeugt wurden und unterschiedliche Wolkensituation enthalten, wie Straßen aus Quaderwolken oder realistischere Wolkenfelder aus Large-Eddy-Simulationen (LES). Diese werden zunächst verwendet, um Veränderungen der gemessenen polarisationsaufgelösten Strahldichte zu bestimmen, die durch von Wolken induzierte 3D-Stahlungseffekte entstehen. Die unpolarisierte Strahldichte wird in unmittelbarer Nähe zu Wolken bei 550 nm um bis zu 55% erhöht. In der selben Situation wird die polarisierte Strahldichte verringert, jedoch nur um ungefähr 25%. Als nächstes wurde der Einfluss dieser veränderten Messungen auf die aus ihnen abgeleiteten Aerosoleigenschaften untersucht. In den meisten Fällen konnten Effektivradius und optische Dicke zuverlässig bestimmt werden, sogar wenn ein großer Teil (bis zu 70%) des Himmels mit Wolken bedeckt war. Die optische Dicke des Aerosol wird in der Regel leicht überschätzt, jedoch um nicht mehr als 0,03 oder 10%. Der abgeleitete Effektivradius der Feinpartikel stimmt auf 0,04 µm genau, unabhängig vom Grad der Bewölkung. Für den Effektivradius der Grobpartikel wird der Fehler hin zu größeren Teilchen höher. Der Realteil des Brechungsindex wird in den meisten Fällen überschätzt. Im zweiten Teil wurde der Algorithmus auf Messungen des multispektralen Sonnenphotometers SSARA angewendet. Dieses wurde bereits mit Polarisationsfiltern ausgestattet, um bei 501,5 nm die polarisierte Strahldichte messen zu können. Während der A-LIFE Messkampagne, die im April 2017 in Zypern stattfand, sammelte SSARA an 22 Tagen Messdaten. Hier werden drei Fallstudien gezeigt: Die erste veranschaulicht das Verhalten des Algorithmus bei teilweiser Bewölkung. Im zweiten Fall herrschte aufgrund einer Saharastaubschicht eine hohe Aerosolbelastung bei ansonsten klarem Himmel. Der dritte Fall beschreibt das Aufziehen von Feinpartikel-Aerosolen aus Waldbrandgebieten. Während der Vorbereitung des Instruments wurde zudem eine neuartige radiometrische und polarimetrische Kalibriermethode entwickelt, die es erlaubt gleichzeitig die Güte und die Winkel der Polarisationsfilter mit hoher Genauigkeit zu bestimmen (entsprechend auf 0,002 und unter 0,1°). Des weiteren wurde eine neue Methode für die Kalibrierung unserer altazimuthalen Montierung verwendet, die eine Korrektur der Positionierung des Messkopfs auf unter 32 arcmin ermöglicht. Dies ist momentan durch die Genauigkeit des verwendeten Sonnensuchers beschränkt. Diese beiden Kalibriermethoden sind auch auf andere Sonnenphotometer anwendbar, wie zum Beispiel die Cimel CE318-DP Instrumente, die in AERONET verwendet werden.

Abstract

To study aerosol-cloud interactions, observations in the vicinity of clouds are necessary. Polarimetry has proven to be a useful enhancement to classical multispectral photometry to infer aerosol optical properties, as polarized radiation contains additional information about the particles. In this thesis, a new retrieval algorithm for the retrieval of microphysical and optical aerosol properties from ground-based polarized and multispectral sky radiance measurements was developed. It includes a cloud screening mechanism that makes the method applicable to partly cloudy situations. Numerical studies have been conduced with synthetic observations generated using 3D Monte-Carlo radiative transfer simulations of different cloud situations, including cuboid cloud streets and more realistic Large-Eddy simulation (LES) generated cloud fields. These are used to first determine the 3D radiative cloud effects observable in the measured polarized radiances as a function of cloud distance. Total radiance is increased by up to 55% on average close to clouds at 550 nm, while linear polarized radiance is reduced, but only by about 25% in the same case. The influence of these altered measurements on the aerosol properties retrieved from them was investigated next. For most cases, effective radius and optical depth of the aerosol can be retrieved well, even if a significant portion (up to 70%) of the sky is covered by clouds. The aerosol optical depth is typically slightly overestimated (not more than 0.03 or 10%). The retrieval of fine mode particle effective radius is accurate to within 0.04 µm regardless of the cloud contamination. For the retrieved coarse mode effective radius the error becomes larger towards bigger particles. A positive bias in the retrieved index of refraction has been observed in most cases. In a second step, the retrieval was applied to measurements made with the SSARA multispectral sun and sky photometer, which has previously been equipped with polarizer filters to measure polarized radiance at 501.5 nm. During the A-LIFE field campaign in Cyprus in April 2017, SSARA collected 22 days of data. Here, three case studies are presented: The first demonstrates the performance of the retrieval under partially cloudy conditions. In the second case, a high aerosol load due to a Saharan dust layer was present during otherwise perfect clear sky conditions. Fine mode dominated Biomass burning aerosol was observed in the third case. During the preparation of the instrument, a novel radiometric and polarimetric calibration method has been developed, which simultaneously determines the linear polarizers' diattenuation and relative orientation with high accuracy (0.002 and below 0.1°, respectively). Furthermore, a new calibration method for the alt-azimuthal mount capable of correcting the instrument's pointing to within 32 arcmin was implemented. So far, this is limited by the accuracy of the sun-tracker. Both these methods are applicable to other sun and sky radiometers, such as Cimel CE318-DP instruments used in AERONET.