Wissenschaftliche Berichte

Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6049

Vergleich zweier Strahlungsübertragungsalgorithmen hinsichtlich der Modellierung des Line-Mixing-Effektes

Kurzfassung

Hohe Anforderungen an die Genauigkeit von Strahlungsübertragungs-Rechnungen wurden zuerst durch die Verfügbarkeit von neuen, verfeinerten Spektrometern mit verbesserten radiometrischen Eigenschaften (unter ihnen das MIPAS Spektrometer) erzeugt. Dies führte dazu, daß eine Reihe von speziellen Effekten, wie der Line-Mixing-Einfluß (LM Einfluß), bei der Strahlungsübertragungsrechnung berücksichtigt werden müssen. In der vorliegenden Studie wurden zwei verschiedene Methoden zur Berechnung der atmosphärischen Transmission und Strahldichte unter Berücksichtigung des Line-Mixing-Effektes verwendet und miteinander verglichen. Eine dieser Methoden wurde im IMK entwickelt und wird dort auch angewendet. Sie modelliert die komplexe Relaxationsmatrix über die Anwendung des sog. "Exponential Power Gap Law" wie es von Strow et al. eingeführt wurde. Die andere Methode wird als ABC-Methode (Adjusted Branch Coupling) bezeichnet. Sie war ursprünglich von M.V. Tonkov und N.N. Filippov entwickelt worden und wird an der Staats-Universität St. Petersburg (SPbSU) eingesetzt. Diese neue empirische Methode zur Berechnung der Bandenform unter Berücksichtigung des LM-Effekts baut auf einem Modell der starken Stöße (strong-collision model) mit abgeschwächter Kopplung zwischen den Bandenzweigen auf.

Im ersten Teil der Studie wurden die Berechnungen mit den beiden Methoden mit Labor-Transmissionsmessungen verglichen, die im Spektralbereich um 2093 cm^-1 im Q-Zweig der 14-2 Vibrationsbande von CO₂ aufgenommen wurden, wo ein merklicher LM-Effekt beobachtet wird. Zwei Labor-Absorptionsspektren, die mit hoher spektraler Auflösung und großer Genauigkeit gemessen worden sind, nämlich ein Spektrum von reinem CO₂ und ein Spektrum von CO₂ in N₂, wurden im Vergleich benutzt. Es zeigte sich, daß beide Methoden eine korrekte qualitative Beschreibung des Line-Mixing-Effekts liefern. Die Abweichungen zwischen den berechneten und experimentellen Transmissionen sind höchstens etwa 0.02 für den IMK-Algorithmus und 0.06 für die SPbSU Methode. Der größere Fehler der SPbSU Methode wird wahrscheinlich durch eine spektrale Verschiebung des Absorptionsmaximums erzeugt, die für diese Methode spezifisch ist, obwohl sie eine korrekte qualitative Beschreibung der Bandenform liefert.

Der zweite Teil der Studie ist einem Vergleich der längs eines atmosphärischen optischen Pfades abgestrahlten Strahldichte gewidmet, die mit Hilfe der beiden Methoden berechnet wurde. Die Transmissionsfunktionen und die atmosphärische Strahldichte wurden im spektralen Intervall 719 - 722 cm^-1 berechnet, das im kurzwelligen Flügel der 15 m CO₂-Bande liegt. Hier ist der Q-Zweig der 5-2 Bande des CO₂ mit einem merklichen LM-Effekt zu finden. Die Berechnungen wurden für Tangentenhöhen zwischen 6 und 35 km ausgeführt, weil dort der maximale LM-Einfluß auf die abgestrahlte Strahldichte erwartet werden kann. Obwohl sich die Studie an der Auswertung von Messungen mit Instrumenten mit endlicher spektraler Auflösung orientiert, wurde der Vergleich für monochromatische Transmissionen und Strahldichten durchgeführt. Dies erlaubte es, die Unterschiede zwischen den beiden Methoden genauer zu untersuchen. Die Berechnungen der abgestrahlten Strahldichte zeigten qualitative Übereinstimmung der beiden Methoden. Allerdings liefert das SPbSU Modell - die ABC-Methode - einen höheren LM-Effekt im Flügelbereich des Q-Zweigs, und einen kleineren LM-Effekt im Bereich des Q-Zweig-Zentrums, verglichen mit der IMK-Methode, für alle Tangentenhöhen. Bei starker CO₂-Absorption unterscheiden sich die Werte des LM-Effekts der beiden Methoden um einen Faktor 2 im Q-Zweig-Flügel. Die Unterschiede der beiden Methoden in der abgestrahlten Strahldichte erreichen in manchen Fällen etwa 4 mW/(m² sr cm^-1).

Abstract

High requirements with regard to the accuracy of radiative transfer calculations caused first by the availability of new refined spectral instruments with enhanced radiometric characteristics (among them the MIPAS spectrometer) resulted in a necessity to take into account correctly various special effects such as the Line Mixing (LM) influence. In the present study, two different methods of computing the atmospheric transmittance and radiance with accounting for the LM effect have been used and compared. One of these methods was developed and is applied at the IMK. It models the complex relaxation matrix by applying the Exponential Power Gap Law as introduced by Strow et al. [1994]. The other method is referred to as the ABC (Adjusted Branch Coupling) method. It was originally developed by M.V. Tonkov and N.N. Filippov and used for atmospheric applications at the SPbSU. This new empirical method of band shape calculation taking into account the LM effect is based on a strong collision model with weakened interbranch coupling.

In the first part of the study, the calculations by the two methods were compared with laboratory transmittance measurements near 2093 cm^-1 in the Q-branch of the 14-2 vibration band of CO₂, where a noticeable LM effect is observed. Two laboratory absorption spectra registered with high accuracy and spectral resolution - the spectrum of pure CO₂ and the spectrum of CO₂ in N₂ - were used in the comparison. It turned out that both methods provide a correct qualitative description of the Line Mixing effect. Maximum differences between calculated and experimental transmittances are about 0.02 and 0.06 for the IMK and SPbSU methods. The larger error of the SPbSU method is likely to be caused by an absorption maximum shift specific for the method, though it gives a correct qualitative description of the band shape.

The second part of the study is dedicated to mutual comparison of slant path outgoing radiation calculations by the two methods. The transmittance functions and atmospheric radiation were computed in the 719 - 722 cm^-1 spectral interval of the short-wave wing of the 15 m CO₂. Here, the Q-branch of the 5-2 band of CO₂ with a detectable LM effect is located. The calculations were carried out for tangent heights of 6 - 35 km, where the maximum LM influence on outgoing radiation may be expected. Though the study is oriented to processing the measurements by instruments with finite spectral resolution, the comparison was performed for monochromatic transmittance and radiation. It allowed to analyze the differences between the two methods in more detail. The calculations of the outgoing slant path radiation exhibited a qualitative agreement of the two methods. However, the SPbSU model - ABC method - gives the larger LM effect in the wing range of the Q-branch and the smaller LM effect in the range of the Q-branch center for all tangent heights as compared to the IMK method. Under strong CO₂ absorption, the values of the LM effect calculated by the two methods differ by a factor of 2 in the Q-branch wing. Differences of the outgoing radiation values calculated by the two methods in some cases reach about 4 mW/(m² sr cm^-1).