Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5860
Numerical Modeling of the Influence of non-LTE Effects on the MIPAS Balloon and Satellite Limb Radiance Measurements
Abstract
The report contains the results of investigations performed in frame of Cooperation Agreement for 1993-1995 between the Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungszentrum Karlsruhe, and the Research Institute of Physics at St.Petersburg State University, Russia.
Several atmospheric models and computer codes, which describe the non-LTE (non-local thermodynamic equilibrium) populations of vibrational states of molecules of atmospheric gases and simulate non-LTE atmospheric radiance, have been considered. The particular attention has been paid to infrared emissions by carbon dioxide, ozone, which have been measured by the MIPAS-B instrument (balloon flights) and will be measured by the MIPAS instrument during the future European Polar Platform space mission. Nitric oxide non-LTE emissions have been considered also. On the basis of the available non-LTE models and codes the influence of the non-LTE effect on the MIPAS balloon-borne and space-borne measurements has been studied, first, from the point of the detectability of the effect, and, second, regarding the retrieval of the vertical distributions of temperature and gas composition.
The analysis of the MIPAS-B 1990 balloon campaign data have shown that the non-LTE effect could not be detected in this campaign due to the small values of the non-LTE contribution to radiance in the spectral range of measurements (930-990 cm-1) if compared to the noise equivalent spectral radiance (NESR). The simulation of the balloon-borne limb radiance measurements in the interval 990-1030 cm-1, which is close to the center of the ozone 9.6 mm band, has shown the possibility to detect the non-LTE effect if NESR is equal or better than 0.2 mW/(m2sr cm-1). In this case the non-LTE effect will exceed the NESR by a factor of 3.
The simulations of limb radiance profiles and spectra for the limb viewing geometry and space-borne platforms have been performed in the spectral regions of 15 mm and 10 mm CO2, 9.6 mm O3 and 5.3 mm NO absorption bands which are strongly influenced by the non-LTE effect. On the basis of the comparison of NESR of MIPAS and the non-LTE contribution to radiance, the tangent height ranges, where this contribution is considerable, have been identified. For CO2 and O3, the analysis has been limited to the spectral region where the set of microwindows preselected for the pressure-temperature retrievals had been determined. The numerical simulations have shown that the influence of the non-LTE effect on limb radiance is negligibly small in most of the microwindows except ones which contain CO2 lines of the so-called 10 mm laser transition. The enhancement of radiance in the centers of these lines due to the non-LTE can exceed considerably the NESR of the MIPAS measurements for the tangent heights of observations in the range of 30-80 km. Therefore, if corresponding microwindows are used for the pressure-temperature retrievals, it is necessary to account for non-LTE effect in a suitable way. The numerical simulations of the non-LTE emission from NO have shown the necessity to account for non-LTE effect for the NO fundamental vibrational transition while interpreting the MIPAS limb measurements for the tangent heights up to 50 km.
The problem of the pressure-temperature retrievals from the MIPAS measurements in the area of preselected microwindows (spectral region 10-15 mm) has been investigated on the basis of numerical experiments. The model pressure and temperature profiles have been retrieved by the multi-parameter general optimal estimation algorithm accounting for the non-LTE effect and using different assumptions and a priori information on the atmospheric state. On the basis of the error matrix calculations and simulated retrievals, the following main conclusions can be stated: (1) the influence of non-LTE effect on the results of the retrieval is negligibly small if the set of microwindows does not include the CO2 "laser” lines; (2) the uncertainties of ozone number density can considerably distort the results of the pressure-temperature retrievals if not taken into account. Therefore the spectral regions for the p-T retrieval should be limited to the preselected microwindows which are sufficiently free of ozone signatures.
Recommendations for further investigations of the non-LTE effect with respect to the planned MIPAS space-borne measurements have been worked out.
Numerische Modellierung des Einflusses des nicht vorhandenen lokalen thermodynamischen Gleichgewichts (non-LTE) auf MIPAS Ballon- und Satelliten-Horizontsondierungsmessungen
Abriß
Dieser Bericht enthält die Ergebnisse von Untersuchungen, die im Rahmen eines Kooperationsvertrags für den Zeitraum von 1993 bis 1995 zwischen dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungszentrum Karlsruhe und dem Forschungsinstitut für Physik der Staatsuniversität St.Petersburg, Rußland durchgeführt wurden.
Verschiedene Atmosphärenmodelle und Computerprogramme, die die Besetzung von Schwingungszuständen von Molekülen atmosphärischer Gase bei nicht-lokalem thermodynamischem Gleichgewicht (non-LTE) beschreiben und atmosphärische Strahldichten bei non-LTE Bedingungen simulieren, wurden berücksichtigt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Infrarotemissionen von Kohlendioxid und Ozon, die vom MIPAS-B Balloninstrument gemessen wurden, und in Zukunft auch vom MIPAS Satelliteninstrument während der Mission der Europäischen Polaren Plattform gemessen werden. Die non-LTE Emissionen von Stickstoffmonoxid wurden ebenfalls berücksichtigt. Basierend auf den verfügbaren non-LTE Modellen und Programmen wurde der Einfluß des non-LTE Effekts auf die MIPAS Ballon- und Satellitenmessungen untersucht, zunächst hinsichtlich der Nachweisbarkeit des Effekts, und später auch bezüglich der Ableitung von Vertikalverteilungen der Temperatur und Spurengase.
Die Analyse der MIPAS-B Messungen des Ballonfluges 1990 zeigte, daß der non-LTE Effekt bei diesem Flug nicht nachgewiesen werden konnte, und zwar aufgrund des im Vergleich zum spektralen Rauschen (NESR) geringen non-LTE Beitrags zur Strahldichte im Spektralintervall 930-990 cm-1. Die Simulation von ballongestützten Horizontsondierungsmessungen im Spektralinterval 990-1030 cm-1, das im Bereich des Zentrums der 9.6 mm Ozon-Bande liegt, zeigte die Möglichkeit der Beobachtung des non-LTE Effekts, falls das spektrale Rauschen (NESR) kleiner oder gleich 0.2 mW/(m2 sr cm-1) ist. In diesem Fall würde der non-LTE Effekt das Rauschen um einen Faktor 3 übertreffen.
Die Simulationen von Strahldichteprofilen und Spektren für die Horizontsondierungsgeometrie von einer Satellitenplattform wurden in den Spektralbereichen der 15 mm und 10 mm CO2 Banden, der 9.6 mm O3 Bande und der 5.3 mm NO Bande, die alle stark von non-LTE Effekten beeinflußt sind, durchgeführt. Ausgehend vom Vergleich der NESR des MIPAS Satelliteninstrumentes und der non-LTE Beiträge zur spektralen Strahldichte wurden die Tangentenhöhenbereiche identifiziert, in denen der non-LTE Effekt von Bedeutung ist. Für CO2 und O3 wurden die Untersuchungen auf den Spektralbereich beschränkt, in dem zuvor Spektralintervalle ("Microwindows”) für die Ableitung von Druck und Temperatur bestimmt worden waren. Die numerischen Simulationen zeigten, daß der non-LTE Einfluß auf die Strahldichte für die meisten Microwindows vernachläßigbar klein ist, mit Ausnahme jener, die CO2 Linien der sogenannten 10 mm Laser-Bande enthalten. Die Erhöhung der Strahldichte in den Zentren dieser Linien aufgrund des non-LTE Effekts kann das Rauschen der MIPAS Messungen im Tangentenhöhenbereich von 30 bis 80 km beträchtlich überschreiten. Falls diese Microwindows für die Bestimmung von Druck und Temperatur verwendet werden, ist es notwendig, den non-LTE Effekt geeignet zu berücksichtigen. Die numerischen Simulationen der non-LTE Emissionen von NO zeigten die Notwendigkeit der Berücksichtigung des non-LTE Effekts für die NO Schwingungsfundamentalbande bei der Interpretation der MIPAS Horizontsondierungsmessungen in Tangentenhöhen oberhalb von 50 km.
Das Problem der Druck-Temperatur Profil-Bestimmungen aus den MIPAS Messungen in den vorausgewählten Microwindows im Spektralbereich von 10 bis 15 mm wurde auf der Basis numerischer Simulationen untersucht. Die Profile von Druck und Temperatur wurden mit Hilfe eines Mehr-Parameter "General Optimal Estimation"-Algorithmus unter Berücksichtigung des non-LTE Effekts und verschiedener Annahmen und a priori Informationen über den Zustand der Atmosphäre abgeleitet. Basierend auf den Fehler-Matrix Rechnungen und simulierten Retrievals können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden: (1) Der Einfluß von non-LTE Effekten auf die Retrievals ist vernachläßigbar klein, wenn die verwendeten Microwindows keine CO2 Laserlinien enthalten; (2) Die Unsicherheiten der Ozon Teilchenzahldichte kann die Ergebnisse der Druck-Temperatur Retrievals beträchtlich stören, falls sie nicht berücksichtigt werden. Aus diesem Grund sollten die Spektralbereiche für die Druck-Temperaturbestimmung auf die der vorausgewählten "Microwindows” beschränkt werden, die hinreichend frei von Ozon-Signaturen sind.
Empfehlungen für weitere Untersuchungen des non-LTE Effekts im Hinblick auf die geplanten satellitengetragenen MIPAS Messungen wurden ausgearbeitet.