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Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation. Apart from almost direct measurements.

Copie: 1
Sviluppo di algoritmi dinversione Empirici Neural network Modelli numerici di trasferimento radiativo.

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Presentazione sul tema: "Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation. Apart from almost direct measurements."— Transcript della presentazione:

1 Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation. Apart from almost direct measurements of radiation budget at the top of the atmosphere, in the best of the cases the geophysical variable is estimated by analysing some property of the measured e.m. that would interact with variable itself. In some case the measurement is based on some relationship between the variable of interest and some other variable that would interact with the e.m. radiation (for example wind from roughness)

2 Retrieval methods-Algoritmi dinversione Misura e.m. Variabile geofisica –Functional regression –Neural network –Analytical solution –LUT, Bayesian Approach –Variational assimilation –Iterative techniques (first-guess) Source of calibration/training dataset Empirical RTM based

3 Properties of the e.m. radiation Amplitude Frequency, Wavelength,Energy Phase, Polarization

4 ________________________________________________ QUANTITA SIMBOLO UNITA ______________________________________________________________________ Energia Q J Potenza dQ/dt W=J/s Flusso dQ/dt/dA W/m 2 Irradianza monocromatica dQ/dt/dA/dλ W/m 2 /μm Radianza dQ/dt/dA/dλ/dΩ W/m 2 /μm/sr DEFINIZIONI UTILI DI RADIAZIONE DA ENERGIA A RADIANZA

5 Frequenza/energia

6 I parametri di Stokes Dato il campo elettrico della radiazione e.m.: I parametri di Stokes sono:

7 Ottengo i parametri di Stokes dalle seguenti misure: Esprimendo lintensità:

8 Useful range for earth atmosphere remote sensing

9 Measuring and intepreting the effect of a radiation-matter interaction assumes that: - you know the e.m. radiation properties before and after the interaction. - You know the physical nature of the interaction and how it is linked to variable you would like to estimate.

10 Radiometri, interferometri, Polarimetri. Radar, Lidar, Altimetro, Scatterometro, SAR.

11 Sorgenti naturali di radiazione IL SOLE EMISSIONE TERMICA

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13 METEOSAT 2° Generation 18/4/ :00 UTC INFRAROSSO VISIBILE

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15 Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of: -its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions) - its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law) Thermal Emission

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17 Proprieta fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione) (p,T) Proprieta ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω) Proprieta ottiche del volume (λ,Ω) Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)Proprieta ottiche della superficie/boundaries (λ,Ω) Soluzione ( …dλdΩ)

18 GRANDEZZE OTTICHE MACROSCOPICHE DELLO STRATO: RIFLETTANZA ASSORBANZA EMISSIVITA' TRANSMITTANZA

19 Proprieta fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione) Proprieta ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω) Proprieta ottiche del volume (λ,Ω) Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω) Soluzione ( …dλdΩ) Processi radiativi dinterazione Calcolo delle proprieta ottiche di volume: Spessore ottico, albedo di singolo scattering, proprieta angolari dello scattering (per es: g o matrice di diffusione) o T,R,A Risoluzione numerica delleq. Del trasporto radiativo Risoluzione numerica di eventuali integrazioni angolari e spettrali

20 e.m. Interaction processes Absorption (Molecular + associated with scattering and reflection) Thermal emission Scattering* Reflection* Others (Stimulated emissions, fluorescence, Raman scattering) * Polarizing processes

21 Molecular absorption It depends from: The characteristics of the molecules (i.e. composition of the atmosphere) The wavelength Temperature and pressure of the gas.

22 Molecular absorption To be computed needs for each molecule (including isotopologues): Position (wavelength) and intensity of the absorption line (line atlas> HITRAN, GHEISA) Functional form of the shape of the absorption line (Gaussian, Lorentz, Voigt) Functional form for the continuum Temperature, pressure and concentration for each molecule considered. The radiative transfer representation of the process is through an extinction coefficient (cross section).

23 Atmospheric absorption H 2 O, O 2, O 3 O 2 H 2 O, N 2 Absorption CoefficientCenter frequency Frequency LineShape Gasstrengthfactor abundance

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25 E molecola =E ele +E vib +E rot +E tran E ele > E vib > E rot > E tran UV-VIS IR MW E molecola = Energia totale della molecola E ele = Energia elettronica E vib = Energia associata al moto vibrazionale della molecola E rot = Energia associata al moto rotazionale della molecola E tran = Energia associata al moto di traslazione del centro di massa della molecola

26 CH 4 N2ON2O N2ON2O N2ON2O CO 2 CH 4 O3O3 H2OH2O N2N2 O2O2 CO 78% 21% E-EE-E

27 Energy levels of a molecule Electronic energy levels; Hydrogen atom

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30 Line broadening 1)Natural broadening Depends on the lifetime of the excited energy level 2)Doppler broadening Depends on the velocity of the molecule, in thermal equilibrium condition, the velocity distribution depends on the temperature. 3)Pressure broadening Depends on the collisions with other molecules, in equilibrium conditions on the pressure.

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32 The continuum The so-called continuum absorption is caused by the far wings of strong absorption lines, e.g. H 2 O lines.

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34 Scale di frequenza Variabilita della funzione di Planck: Calcolo dei flussi, cooling heating rates (500 cm-1) Contorno delle bande (50 cm-1) Spaziatura tra linee rotazionali (1-5 cm-1) Caratteristiche della linea. Radiazione mocromatica (validita Legge di Beer). ~1/5 line width. 2x10 -2 (bassa atmosfera) a 2x10 -4 (Doppler width, alta atmosfera)

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36 Soluzioni numeriche per il calcolo dellassorbimento molecolare Line-by-line Band models Emissivity models

37 Band models I modelli di banda sono utilizzati per rappresentare la complessita degli spettri dati dalle singoli linee Random models Correlated k-band models etc..(see Goody & Yung 1989)

38 Correlated k-band model

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41 Schematic of Fundamental Spectroscopic Parameters of a Line Transition in HITRAN.

42 Scattering/Diffusione (Reflectance).

43 Scattering/Diffusione (Reflectance). Si manifesta come variazione della direzione di propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella dellonda e.m. incidente.

44 Scattering/Diffusione (Reflectance). Si manifesta come variazione della direzione di propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella dellonda e.m. incidente. Puo anche essere associato ad assorbimento della radiazione.

45 Scattering/Diffusione (Reflectance). E dovuto al passaggio di un onda e.m. da un mezzo ad un altro con differenti proprietà di propagazione (indice di rifrazione complesso*). * Si introduce lindice di rifrazione complesso: m=n+i n per poter tener conto dellassorbimento utilizzando la formula per la propagazione dellonda: e i(ωt-mkz)

46 SCATTERING: Principio di Huygens Quante lunghezze donda londa spende allinterno del mezzo con differenti caratteristiche ottiche di propagazione?

47 Scattering: a geometric optics representation

48 Scattering/Diffusione (Reflectance). Dipende da: - composizione (indice di rifrazione complesso) del mezzo. - cammino ottico relativo* (rispetto alla lunghezza donda della radiazione incidente) allinterno della discontinuità (forma, dimensioni ed orientamento della discontinuità) * Per es per le sfere di raggio r ed indice di rifrazione reale m: Size Parameter x=2πr/λ oppure ρ=2 x (m-1)

49 Scattering/Diffusione (Reflectance). Leffetto della singola particella scatterante per una data lunghezza donda può essere rappresentato da 3 proprieta: - efficienza nello scatterare. - efficienza nellassorbire. - efficienza, in funzione della geometria nel ridistribuire angolarmente la radiazione in funzione dello stato di polarizzazione.

50 Scattering: numerical representation Proprietà ottiche di singolo scattering (Single Scattering Optical Properties SSOP) -Cross Sections C (Efficiencies Q nel caso di sfere) -Single scattering albedo: ω -Phase function: Scattering Matrix,Tavola P(γ), Coefficienti dei Polinomi di Legendre, Asymmetry factor (g), Approximations (e.g.: HG)

51 Diffraction limit

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53 Yang et al., Single-scattering properties of complex ice crystals in terrestrial Atmosphere, Contr. Atmos. Phys., 71, , 1998.

54 Yang et al., Single-scattering properties of complex ice crystals in terrestrial Atmosphere, Contr. Atmos. Phys., 71, , 1998.

55 Scattering: Polarization

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57 Metodi numerici per il calcolo delle proprieta ottiche di singola particella Rayleigh scattering (particelle relativamente piccole) Mie scattering (particelle sferiche di dimensioni comparabili con la lunghezza donda) Metodi numerici per particelle non sferiche (particelle non-sferiche di dimensioni comparabili con la lunghezza donda) Ottica geometrica (particelle di forma qualsiasi di dimensioni relativamente grandi) Casi particolari: pr es: coated spherical particles

58 Metodi di calcolo per le proprietà ottiche di singolo scattering Mie scattering & Geometric Optics: Depends from scattering particle amount, shape, dimension & relative orientation particle-wave Rayleigh scattering: Depends from scattering particle amount Negligible Scattering: independent from an particle property & non spherical particles methods

59 LIDAR CLOUD RADAR PREC. RADARSURF. RADAR

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61 Esempi programma di simulazione per scattering Mie

62 Ottica Geometrica

63 Discrete Dipole Approximation

64 SCATTERING: DEFINIZIONI Scattering Singolo Variabili ottiche di singola particella (SSOP Single scattering optical properties) - cross sections - ssa - phase function Variabili ottiche di polidispersione Variabili ottiche di volume Variabili macroscopiche di strato Scattering Multiplo

65 Parametri per la descrizione della dipendenza angolare Scattering matrix Phase function –Tabelle –Coefficienti dei polinomi di Legendre –Asymmetry factor – HG approximation

66 Accorgimenti numerici: delta-Eddington

67 Scattering: da parametri di singola particella a parametri di polidispersione Definizione di polidispersione Variabili di polidispersione -> effective radius Esempi di forme funzionali di distribuzione dimensionale: -Junge (power law) (aerosols) -Log-normal (aerosols) -Gamma distribution (clouds) -Marshall & Palmer (precipitation)

68 Una distribuzione dimensionale è definita da: Distribuzione dimensionale Esempi di distribuzione dimensionale descritta dalla funzione in basso con 2 valori di a e 3 di b

69 Calcolo delle proprieta di singolo scattering per una polidispersione

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71 Calcolo dei coefficienti di scattering per 2 specie: A, M.

72 (p,T) La radiazione scatterata da un generico volume dipende dalla intensita e distribuzione angolare della radiazione incidente sul volume che pero dipende, atraverso lo scattering dei volumi vicini a sua volta dalla radiazione scatterata

73 Scattering Multiplo: Metodi Numerici Ordini di scattering successivi Doubling or Adding Invariant imbedding Funzioni X e Y Discrete – Ordinate Armoniche sferiche Sviluppo in eigenfuction Montecarlo Soluzioni analitiche Pseudo-assorbimento Accorgimenti numerici: δ-Eddington

74 Doubling or adding method

75 Si definisce per la trasmissione diffusa e per la riflessione: Un prodotto R 1 R 2 implica:

76 RIFLESSIONE - leggi di ottica geometrica che regolano il passaggio di radiazione tra mezzi con indice di rifrazione differente - Formule di Fresnel per luce polarizzata - casi limite: riflettore speculare, riflettore - modellizzazione di superficie corrugate - applicazioni possibili: vento alla superficie, oil spills, tipo di vegetazione - varie combinazioni flussi radianze del concetto di riflettanza.

77 Definizioni S: sorgente O: osservatore P: puntuale D: diffusa

78 Surface reflectance - BRDF

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80 Tipi di riflessione

81 Calcolo delle proprieta di riflettanza: BRDF Geometria e composizione (indice di rifrazione complesso) degli elementi di superficie Ottica geometrica Θ o =cost

82 Surface emissivity - Oceans Directional wind roughened surface: Sea-water permittivity Fresnel equations (I, Q, U, V) Large-scale waves Gravity-capillary, capillary waves (> 2m/s) Whitecaps (> 7 m/s) Foam (> m/s)

83 EMISSIONE TERMICA CORPO GRIGIO LEGGE DI KIRCHOFF BRIGHTNESS TEMPERATURE

84 Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of: -its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions) - its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law) Thermal Emission

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86 Source Function (SF) in Non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) In generale la SF e una funzione della popolazione dei livelli coinvolti in ogni transizione In LTE la popolazione dei livelli dipende solo dalla temperatura e quindi la SF e la funzione di Planck In generale la popolazione dei livelli di una molecola dipende dal campo di radiazione in cui la molecola si trova In LTE le collisioni sono cosi frequenti da portare molto velocemente la popolazione di un livello alla distribuzione di Boltzmann corrispondente alla Temperatura cinetica del gas In Non-LTE le collisioni termiche sono meno importanti e quindi gli stati eccitati non si deattivano per urto ma per altri fenomeni. Cosi la popolazione dei livelli NON ha relazione con la Temperatura cinetica Il problema di trovare la SF in Non-LTE si trasferisce nel problema di trovare la popolazione dei livelli energetici coinvolti nellinterazione radiazione materia

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88 Sviluppo di algoritmi dinversione Empirici Neural network Modelli numerici di trasferimento radiativo

89 Radiative transfer modeling Model type/purpose: simulazione di strumenti, calcolo di flussi radiativi (per s allinterno di modelli di previsione numerica) Spectral range/integration Angular integration Polarization Physical Processes/level of parametrization Geometry: plane parallel, spherical, 3D. Input Output User friendly Examples

90 OBSERVATION GEOMETRY ( S, V, ) SURFACE ( ( S, V,, ),zo) CLOUDS (SSOP(, z) *, (, z)) AEROSOLS (SSOP(,z)*, (,z)) INSTRUMENT CHARACTERISTICS : NOISE, FILTER RESPONSES, MULLER SIMULATED INSTRUMENT MODEL RADIATIVE TRANSFER EQUATION SOLVER ALTITUDE INCLINATION PERIOD EQ. PASS. TIME SCANNING CHARACTERISTICS ORBIT MODEL SCANNING MODEL EARTH SUBSATELLITE POSITION INSTRUMENT SIMULATOR GAS ABSORPTION FROM MAJOR AND MINOR GASES MULTIPLE SCATTERING POSSIBILITY TO INTRODUCE USER DEFINED DETAILED INPUT SPECTRAL RESOLUTION AND RANGE ADEGUATE CLEAR SKY ATMOSPHERE THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z)) INPUTUPWELLING RADIANCES SIMULATED MEASURED RADIANCES ( * ) SSOP: Single Scattering Optical Properties SSA Legendre Polynomial coefficients GAS EXTINCTION PROFILE ( (,z)) MOLECULAR SCATTERING PROFILE (SSOP(,z), (,z))

91 LBL CLEAR SKY ATMOSPHERE THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z)) GAS EXTINCTION PROFILE ( (,z)) HITRAN 2000 TAPE 1 LNFL RANGE GAS MOLECULES TAPE 3 GEOGRAPHYCAL POSITION (LAT,LON) TOPOGRAPHY MODEL z(LAT,LON))SURFACE COMPOSITION BRDF MODEL REFRACTIVE INDEX DB m(λ,surface) SURFACE ( ( S, V,, ),zo) ?

92 SSOPM MIEV0 CLEAR SKY ATMOSPHERE THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z)) μPhysical model AEROSOLS (SSOP(,z)*, (,z)) SD PROFILE (SD(z,aerosol))COMPOSITION PROFILE (SD(z,aerosol)) COMPOSITION REFRACTIVE INDEX REFRACTIVE INDEX DB m(λ,aerosol) REFRACTIVE INDEX m(λ,z,aerosol) MIXTURE TYPE Ext,Int SHAPE S(SD,z,aerosol) CLOUDS (SSOP(,z)*, (,z))

93 SSOPM MIEV0 WATER CLOUDS (SSOP(,z)*, (,z)) SD PROFILE (SD(z,water)) REFRACTIVE INDEX m(λ,z,water) SHAPE S(SD,z,water) δ-M

94 Comments on RTM Completeness of the represented processes. (e.g. type of absorption band model, numerical solution of the multiple scattering) Assumptions (e.g. Lambertian surface representation) Internal database (e.g. angular representation of single scattering properties)

95 Alcuni siti dinteresse che permettono di fare simulazioni on-line /blackbody.swf

96 ESEMPI DI MOTIVAZIONI PER LA POSIZIONE DEI CANALI PER ALCUNI STRUMENTI (MODIS e SEVIRI)

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101 CLM: Cloud microphysical properties

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105 Dataset terminology LEVEL 0: Raw data [binary counts] Space agency LEVEL 1: Image data in sensor co-ordinates. Individual calibrated channels.[Radiances] Algorithm developers. Calibration LEVEL 2: Derived geophysical variables geolocated but generally still in image coordinates Users L1L2 Algorithm Theoretical Basis Document: ATBD Validation LEVEL 3: Composite (time and space: e.g. monthly 1°x1°) geophysical products resampled into standard map projection (single sensor can still contain gaps) Users LEVEL 4: As level 3 with gaps filled. This can be done by merging level 3 from different sensors or filling the gaps with models (objective analysis, forecast model etc..) Users

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