On the retrieval of atmospheric profiles

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-697-892-8
Julkaisun nimi: On the retrieval of atmospheric profiles
Tekijä: Tukiainen, Simo
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, fysiikan laitos
Opinnäytteen taso: Väitöskirja (artikkeli)
Tiivistelmä: Measurements of the Earth's atmosphere are crucial for understanding the behavior of the atmosphere and the underlying chemical and dynamical processes. Adequate monitoring of stratospheric ozone and greenhouse gases, for example, requires continuous global observations. Although expensive to build and complicated to operate, satellite instruments provide the best means for the global monitoring. Satellite data are often supplemented by ground-based measurements, which have limited coverage but typically provide more accurate data. Many atmospheric processes are altitude-dependent. Hence, the most useful atmospheric measurements provide information about the vertical distribution of the trace gases. Satellite instruments that observe Earth's limb are especially suitable for measuring atmospheric profiles. Satellite instruments looking down from the orbit, and remote sensing instruments looking up from the ground, generally provide considerably less information about the vertical distribution. Remote sensing measurements are indirect. The instruments observe electromagnetic radiation, but it is ozone, for example, that we are interested in. Interpreting the measured data requires a forward model that contains physical laws governing the measurement. Furthermore, to infer meaningful information from the data, we have to solve the corresponding inverse problem. Atmospheric inverse problems are typically nonlinear and ill-posed, requiring numerical treatment and prior assumptions. In this work, we developed inversion methods for the retrieval of atmospheric profiles. We used measurements by Optical Spectrograph and InfraRed Imager System (OSIRIS) on board the Odin satellite, Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) on board the Envisat satellite, and ground-based Fourier transform spectrometer (FTS) at Sodankylä, Finland. For OSIRIS and GOMOS, we developed an onion peeling inversion method and retrieved ozone, aerosol, and neutral air profiles. From the OSIRIS data, we also retrieved NO2 profiles. For the FTS data, we developed a dimension reduction inversion method and used Markov chain Monte Carlo (MCMC) statistical estimation to retrieve methane profiles. Main contributions of this work are the retrieved OSIRIS and GOMOS satellite data sets, and the novel retrieval method applied to the FTS data. Long satellite data records are useful for trends studies and for distinguishing between anthropogenic effects and natural variations. Before this work, GOMOS daytime ozone profiles were missing from scientific studies because the operational GOMOS daytime occultation product contains large biases. The GOMOS bright limb ozone product vastly improves the stratospheric part of the GOMOS daytime ozone. On the other hand, the dimension reduction method is a promising new technique for the retrieval of atmospheric profiles, especially when the measurement contains little information about the vertical distribution of gases.Ilmakehän mittaukset ovat tärkeitä, jotta ymmärtäisimme paremmin ilmakehään liittyviä kemiallisia ja dynaamisia prosesseja. Esimerkiksi otsonikerros ja kasvihuonekaasut ovat kohteita, jotka vaativat jatkuvaa ja koko maapallon kattavaa havainnointia. Satelliiteissa olevat mittalaitteet ovat yleensä hankalia totetuttaa ja kalliita, mutta tarjoavat parhaat mahdollisuudet tällaiseen havainnointiin. Satelliittimittauksia täydennetään usein maanpintamittauksilla, jotka ovat paikallisia mutta yleensä tarkkoja. Monet ilmakehän ilmiöt ovat tärkeitä vain tietyillä ilmakehän korkeuksilla. Siksi hyödyllisimmät mittalaitteet tuottavat tietoa kaasujen jakaumasta korkeuden suhteen. Satelliiteissa olevat mittalaitteet, jotka katsovat maan ilmakehän läpi avaruuteen tuottavat yleensä parasta tietoa ilmakehän pystyjakaumasta. Mittalaitteet, jotka katsovat ilmakehän läpi ylös maanpinnalta tai alas kiertoradalta soveltuvat huonommin pystyjakauman tutkimiseen. Kaukokartoitusmittaukset ovat aina epäsuoria. Mittalaitteet havaitsevat sähkömagneettista säteilyä, mutta kiinnostava suure on esimerkiksi ilmakehän otsoni. Mittausten tulkinta vaatii ilmakehän säteilyn kulun mallintamista ja havaintoon liittyvän käänteisongelman ratkaisua. Ilmakehään liittyvät käänteisongelmat ovat yleensä epälineaarisia ja niiden ratkaisemiseen tarvitaan numeerisia menetelmiä ja ennakko-oletuksia. Tässä väitöstyössä kehitettiin menetelmiä ilmakehän kaasujen pystyjakaumien ratkaisemiseen. Työssä käytettiin Odin-satelliitissa olevaa OSIRIS-mittalaitetta (Optical Spectrograph and InfraRed Imager System) ja Envisat-satelliitissa olevaa GOMOS-mittalaitetta (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars). Lisäksi käytettiin Sodankylässä sijaitsevaa, maan pinnalla olevaa FTS-mittalaitetta. OSIRIS ja GOMOS -mittauksista ratkaistiin otsonin, aerosolien ja neutraali-ilman pitoisuuksia. OSIRIS-mittauksista ratkaistiin lisäksi NO2. FTS-mittauksista ratkaistiin metaanin pystyjakauma rajoittamalla ongelman tila-avaruutta ja käyttämällä hyväksi Markov chain Monte Carlo (MCMC) menetelmää. Tämän väitöstyön tärkeimmät tulokset ovat pitkät OSIRIS ja GOMOS aikasarjat, sekä uusi käänteismenetelmä FTS-mittausten parempaan hyödyntämiseen. Pitkät mittaussarjat ovat tärkeitä ilmakehän muutoksen tutkimiseen ja ihmisen vaikutuksen erottamiseen luonnollisesta vaihtelusta. Tässä työssä kehitetty GOMOS-otsonituote on huomattavasti parempi kuin vanha, eri menetelmällä ratkaistu otsonituote. FTS-mittausten hyödyntämiseen kehitetty menetelmä on uusi ja lupaava tapa ratkaista pystyjakaumia mittauksista, joiden informaatiosisältö on rajoitettu.
URI: URN:ISBN:978-951-697-892-8
http://hdl.handle.net/10138/166538
Päiväys: 2016-09-28
Avainsanat: meteorologia
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
ontheret.pdf 2.888MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot