海洋化学研究 Vol.8.tif

S P A C E  M E A S U R E M E N T S  O F  V E R T I C A L  P R O F I L E S   O F  T R O P O S P H E R I C  M I N O R  C O N S T I T U E N T S  

T n d a o  A o k i  

Meteorological Research Institute  Tsukuba, lbaraki 305, Japan 

A B S T R A C T  

A  method for  remote measurement of tropospheric constituents from satellit.e  is  describe~, "".h̲ere  the̲ yisibl<: and near infrared solar radiation in  the sunglint region is  measured with tunable etalons and very narrow band pass filter  which contains only  one absorption line of trace gases concerned. T h e  mathematical procedure is  describ叫

to retrieve the vertical profiles of constituents. T o  study the feasibility of this method a   ground based instrument ha.5 been developed and some results of remote mea.511rements  of water vapor are presented. 

I.  I N T R O D U C T I O N  

J.i'.or  nearly̲tw,? decades ~he r~mote ~o~ndi'!g of t~e tropospl̲1eric gas̲es from ~atellite have been m a d e  by measuring the emission from the atmosphere and ground or sea  surface.  Since 1978 ̲the T J R O S ‑ N  satellite s̲eries  has operntionally been obtaining the  w?‑t:er v~por vertical. profile by  the infr:ared_~mission from t~e atmos~her~

with a  filter type radiometer.  T h e  error is  more than 20 percent near the ground and  worse in  the higher altitude (Timchak,1986).  T h e  remote measurement of C O  ha..c; 

been m a d e  by MAPS(Measurement of Air Pollution from Satellites) on board the space  shuttle, also by measuring the infrared emission through g邸 filter. T h e  accuracy has  been estimated to be an order of 20 percent (Reiche et al.,  1982). 

In  the future satellite program some new type of instruments such as  a  Fourier  transform spectrometer and a  grating spectrometer are proposed for remote sounding  the tropospheric trace gases.  These are again based on the measurement of thermal  emission from the atmosphere. T E R S E  (Tunable Etalon Remote Sounder for the Earth)  is  a  n e w  vertical sounder for the tropospheric trace gases proposed by Aoki et al.(1989,  1993), where the near infrared solar radiation in  the sun glint region is  observed with  tunable eta.Ions where the separation of two etalon plates a.re changed with piezoelectric  elements. In this paper our recent work is  summarized .  

II.  R E T R I E V A L  A L G O R I T H M  

According to Aoki T a.  et  al.  (1993) the signal output of the sensor at  the i‑th  sampling during a  scan of the etalon plate is  written in  the form: 

vj  =   e/V2 砂

p(U,h)

蛉

(v)[Ir,JJ(v)

+  

lpath(v)], 

v 1  

(1)  :,vh~re C  is  th̲e  ̲is. the trans~issi~n func~i_on of the t:mable 

is  the transmission function of the narrow band pass filter,  v1  and v2  a.re  the lower  and upper limits of the function 

￠B, 

respectively.  Ire/I is  the radiance reflected at the  surface and Ipath. is  that scattered by the atmosphere. 

In the near Infrared region the path radiance Ipath. is  one order of magnitude lcss  than Ire/I  over the La.mbertian surface whose albedo is  about 0.05 w h e n  there is  no  absorption .  However, to minimize the effect of the path radiance it  is  better to use the  sun glint.  T h e  intensity of sun glitter radiance that is  reflected into the view angle of  about 0.5 degree is  the order of 10‑3  10‑5 of the incident radiat.ion(Plass et al.,  1977; 

 

Guinn, et  al.,  1979).  This is  104  102  times larger than that over the Lambertian 

 

surface.  Thus in  c邸e of sun glint I,,01h  can be neglect叫 compared to Ire/I・  Otherwise  it  can be taken into account b邸 ed on, e.g., climatological values of aerosol distribution. 

(14)  海 洋 化 学 研 究 第8巻第1号 平 成7年4月

For an ideal etalon ￠F P  is  given by the Airy function 

奸

p(v,t) =   (1 ‑ rFP ‑ AFp)2 

1  ‑ 2rFP cos(21rvt) 

+  

r}p'  (2) 

t  =  2 n F p b  cos'Y,  (3) 

where A F P  is  the absorptance of the etalon, r F P  is  the reflectance of the surface of the  etalon plate and T1F p  is  the refractive index of the m e d i u m  between the etalon plates. 

6  is ̲the spacin̲g be~ween _t~e two etalon plates and 

‑y 

is  the incident angle of the light. 

In this study 

6  

is  changed by changing the voltage to be applied to the piezo elements.  

T h e  transmission function for the absorption due to molecules in  a  slant path is  given by 

r(v,0)=exp[‑μ 

o l 。

^{O O}

苓

k.,,g(z)pg(z)dz],

μ = ―  

_cos0 1  

， 

(4) 

(5) 

~hE;re 0̲  is  the̲ zenith ~n~le of t~e s)an~ pa̲th, fl stands for the species of the molecule, k   is  the absorption coefficient and p  is  the density. 

W e  define a.  nondimensional quantity of the output signal for the i‑th sampling by 

Fj  =   ‑ M  

_V   ⁽⁶⁾ 

For the normalization f四 or,

V, 

w e  take an average of measurements: 

︐   M  

M

▽ 台

1‑ M 

= ‑

,: :: ,.

.  ⁽⁷⁾ 

where M  is  the total  number of the samples.  It should be noted that 

Fi 

does not  cont.ain the constants C  appeared in (1).  This means that the absolute m e^邸 urement of  the intensity of radiRtion is  not necessary in this method. 

B y  expanding 

Fi 

around an initial guess w e  obtain 

N

。

Fi(& ）  ＝ Fi° (& ）＋こ 8Fi 

^z  _J' •

j = l  

8

巧

祐 ＝

F,,ob, ‑ F;

゜＝こ

Iくijり

j  

(8)  (9) 

k99 

{)Fi 

"   =  

_OXj'  ⁽¹⁰⁾ 

where F°  is  the F  theoretically calculated under the condition of the initial guess.  x  is  the unknown parameter to be determined and the density of the j‑th layer is  given by 

P;

＝ 月

(1

+  

rr;x;),  (11) 

Transactions of The Research Institute of. (15)  Oceanochemlstry Vol. 8, No. 1, April 1 9 9 5  

where pj is  the initial guess value for P;  and u;  is  the standard deviation of the error  in initial guess, which was given artificially in  the present work. This formula was used  for  making every x  to  be ‑the same order.  T h e  ‑unknown parameters are iteratively  det.ermined with the use of the m a x i m u m  likelihood solution{Rodgers, 1976): 

x ( n + l )  

=   ［

S

ご＋

Iく(n)1 ￡S ‑ l  [((n)

戸

Iく(n)t  

x  

＋ 

Iく(n)X(n)], (12) 

where X ( n )  is  the vector of x  at  the n‑th step of the iteration, 

S,,, 

is  the covariance  matrix of X, f〈(n) is  the K  appeared in  (12) a.t  the n‑th step and Si is  the covariance  matrix of the m e邸 urement error. 

III.  G R O U N D  B A S E D  M E A S U R E M E N T S  

T o  examine the performance of the algorithm a  ground b^邸ed instrument h^邸 been developed for water vapor soundings.  T h e  block diagram of this instrument is  shown  in  Fig.1.  Since in  this case w e  observe the direct solar radiation, I,eJI  in  (1)  becomes  (Aoki et al.,  1994), 

Iairect(v) 

=  

1°

炉

(v)Or, (13) 

where 

J 8 炉

(v) is the extraterrestrial solar radiation, which m a y  have a  strong wavenum‑

her dependence in  the range between v1  an.d  v2 due to absorption by the solar atmo‑

sphere.  W e  assume that tlie absorption due to the solar atmosphere is  well known so  that w e  can give the extraterrestrial solar r叫iation with a  constant [ 8  and a  known  function <t>0(v). 

n  

is  the solid angle of the field of view of the sensor. In the present  study the view angle is  0.19 degree. 

T h e  transmittance spectra ofthe tunable etalon for some ofthe etalon rlate spacing  are shown in  the top panel of Fig.2.  A n  etalon  and an interference filter  together  constitute a  very narrow band pass filter  as shown in  the panel marked as "FILTER" 

in  Fig.2. This band pass filter only covers a  small wavenumber region which essentially  contains only one absorption line of water vapor. 

A n  example of the output signal of measurements is  shown in  Fig.3 for the ca.c;e  of the line at  654lcm‑1, where the abscissa is  the electric voltage apllied to the piezo  elements and the ordinate is the normalized output Fi,  T h e  solid line is the measurement  and dashed one is  the calculated.  A  deep dip of the curve corresponds to the water  vapor absorption line at 654lcm‑1. T w o  dips appear in  the figure.  This is  because the  continuous application of electric volt昭e from 

O  

to  1000 volt makes movement of the  line of tunable etalon for more than one free spectral range. 

T h e  density profiles have been obtained by iteratively fitting the calculated curve  of the normalized output to the measured one.  Actual fitting has been m a d e  for the  curves only within a  narrow range of the voltage around one of two dips in  Fig.3.  T h e   froundtrnth of thevertical p晶°tle of water vapor h邸 been obtained within two hours 

rom the radiosonde observation at  the site far by about 100 meter.  A n  example of  ret.rieved profiles is  shown in  Fig.4.  Here the thin solid line is  the retrieval profile, the  thick solid line is  the rrofile from radiosonde observation, the dashed line is  the initial  profile and the thin solid line on the lefthand side of the figure is  the difference between  the retrieved and sonde observed profiles. It can be seen that the profile in  the upper  layers does not move greatly from the initial value.  This is  because the region around  the absorpt.ion  line center, where the information of the upper atmospheric layers is  m u c h  involved, is  completely absorbed and so it  does not bring the information of the  upper layers.  T o  improve this w e  have to choose a  line of weak line intensity. 

Fig.5 is  another example of measurement m a d e  in the Taklimakan Desert in China,  where the water vapor amount is  small (Aoki Te.  et al.,  1993). A s  seen in the figure, in  this case the absorption at line center is not large and the profile of the upper troposphere 

(16)  海 洋 化 学 研 究 第8巻第1号 平 成7年4月

...J 

ヽ I /

ー●一 /  

I~

忍

芝

Fig.  l  ~Joe~ diag̲ra.m of grnund‑ba.sed T E R S E ,  w here  H S  is  the heliosta.t, E T F   is  the  etalon, B F  is  the interference filter, T E  is  the tunable etalon and  L  is  the H e N e  laser.  

＇  1 0 1  

WUNv'llIWSNv'~l

A  

人 A  

lh 1 

人 A

  A

0

 

, 0 1

 

一 ＼ 

,l Jj 65 76 51  

マ 了 ▽   マ 了 了

マ Y T 戸 戸 □ X

 

了 ア □ 丁

一

IFP 

FRAUN 

!FILTER  C  

02  1 H 2 0  

1 7 s u R F A C E  

]FILTERED 

6581  6583  6585  6587  6589  6S91  6593  6595  6597  6599 

WAVENUMBER 

(CH" 1 )  

Fig.2 Spectra of the wavenumber region for the 1120 sounding.  T h e  lowest  two panels are the transmittance of the column atmosphere(the bottom  panel  is  the filtered),  the next two are  those of the

出

0 and CO2,  respectively.  T h e  panel signed as "FILTER" is  the transmittance of  the band p邸s filter.  The・  next  panel is  the relative  intensity  of the  e~t~ate!restrial sol:ir ra9iati?n a~d _ the top p̲anel is  that of the tunable  etalon for some value of etalon plate separation. 

Transactions of The Research Institute of.  (17)  Oceanochemistry Vol. 8, No. I, April 1 9 9 5  

AFTER  PEAK  FITTIHG 

I. 2  

WU N' v' IG 'v 'c l 

I. O',,, 

0.8 

G3NI~vk-WI

rJ  N  

0.6  0. 4  

0.2 

IAN0 [［H9(t  :  6S《1, 36  1[A9 .  H6HIH. IIT  :  92/06/25  9  1 H ( 9 0 9 9 0 2 9 0 2  

"＇ "＂   ＂

'9(C 1:9000  I  N  I(C9A 1  10N 

    "° ・

A  1  nos.  N01(l  :  6   S O L U  I(員11H  :  SS. 16 

"   t(fl1cruk[986.oo  U9 9TH 6r  9[ 1   9  9. 26  IOIAl •ot•IE·ll• 11 .l《l O l  IAIA  N O . ,  I   o n  DATA MO .   "  

9  [  2  r s 9 ,2 .   1S612  T[ 9909  :  0 .  0?00 

ー： OBSERVED

‑‑‑:CALCULATED 

̀ ｀ ｀ ＾ ‑

0 . 0

。

_{100  200  300  400  500  600} 

RAHP  VOLT AGE  (V l  

700  800  900 

Fig.3  A n  example of the normalized output of measurement (solid line)  with  T E R S E  and calculated one (dashed line).  T h e  abscissa is  the electric  voltage given to the piezo element of the tunable etalon. 

" ●   ● 1191 

・ ・ "''・ "

叫

・4.19.i.':1

漏沿

荘ttよ

in:

『；

I . i n•OO

10.0 

(

エ

H

︶

1H :l l3 H 

5 . 0  

R E T R I E V E D   P R O F I L E   H I T H   S O N D E  

H2(l  PRClFILE  FRClH  TERSE  U S E D   B A N D S :  

6 5 4 1 . 3   CH―I   U S E D   FP  SPACING: 

D . 1 8 1 3 C H   H E A S U R E H E N T   ERROR: 

0 . 0 1 0  

0 . 0  

‑ 1 0 . 0  0 . 0   10.0 2 0 . 0  3 0 . 0  4 0 . 0  5 0 . 0  6 0 . 0  7 0 . 0  8 0 . 0  9 0 . 0  1 0 0 . 0  

N U M B E R   D E N S I T Y   (102 

^I  

H B L / K H )  

Fig.4 Comparison between retrieved vertical profile of water vapor (thin solid  line) and sonde observation (thick solid line).  T h e  dashed line is  the ini‑

tial profile and the curve on the left hand side is  the difference between  retrieved and sonde observed profiles.  

(18)  海洋化学研究 第8巻 第1号 平成7年4月

1 0 . 0  

H

四

U S E D   B A N D S :   6 5 8 9 . 3  c w t  

(

エH

︶

1H :J I3 H  

5 . 0  

P R 0 F I L E   F R 0 M   T E R S E  

0 . 0  

‑ 5 . 0   0 . 0  

l i  

︑｀

̀  ̀｀ 

︑｀

︑¥

＼

｀  

ヽ︑

｀  

1 ,  

｀  

｀  

｀  

¥  

＼  

 

︐  

︑̀

｀  

＇ 

︐  

｀  

｀＇ 

｀  

,｀

 

 

ー

︐＇ ｀｀ 

︐  

U S E D   F P  S P A C I N G :   0. 1 8 1 3  Ct1 

M E A S U R E M E N T   E R R O R :   0 . 0 1 0  

5 . 0   1 5 . 0   2 0 . 0  

N U M B E R   D E N S I T Y   (1 

02 1  

M C J L / K M )  

Fig.5 A s  in  Fig.4 except for observation at Taklimakan Desert in China. 

2 4 . 0   (

T O H  

20.0t‑

go I)  

゜ ゜

I  6. 0  

  ・ p

x‑

‑o

^{。 ‑} • - ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑

12. 0  t‑ O

N H  

8. 0  i‑‑

T V L O L  

H匹 P R O F I L E   F R O H   T E R S E   U S E D  BANDS•

6 5 4 1 ,  3  C H―I  

‑ ‑ 0 ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑ ‑

0  0 ― 

O :  T E R S E   X:R!,DI(lS(lNDE 

〇.

o  

8  

︐

 

10  11  12 

T I M E  

13  I  4   15  16 

Fig.6 Diurnal variation of the total column amount of water vapor mea‑

sured by T E R S E .  

'!'1°ansact̲lons̲ or The̲ ~e~earch Instlt~te or.  (19)  Oceanochemlstry Vol. 8, No. 1, April 1 9 9 5  

is  well retrieved.  Fig.6 shows the diurnal variation of the total column amount of water  vapor observed by T E R S E .  T h e  sonde observation is  shown by the mark of cross.  It  cRn be seen that inspite of the complete absorption of the part of the line center the  total column amounts of water vapor are retrieved in  good accuracy.  T h e  error is  the  order of a  few percent. 

R E F E R E N C E S  

Aoki Ta., A  remote sounder for the vertical profiles of the atmospheric gases: simulation,  Proc.  of Spring Meeting of Japan Meteorological Society, M a y  22‑2./,  Tokyo, 62‑

62, 1989.  {in Japanese) 

Aoki Ta.,  Fukabori M .

，

Aoki Te, Trace gas remote sounding from near I R  sun glint  observation with tunable etalons,  N A T O  Advanced Ruearch  W o r b h o p  "High  Spectral Re.,olution  Infrared Remote SenJing for Earth•_, Weather and Climate  Slttdiu", Springer‑Verlag, Berlin, 309‑322, 1993. 

Aoki T a.,  Fukabori M., Aoki Te., Remote measurements of atmospheric constituent.s in  the lower layers,  Proceeding‑'of the International Sympo.,ium on "Global Cycle.,  of Atmo.,phcric Greenhotue GaJu", Tohoku Univ., Sendai, Japan, 165‑170, 1994. 

Aoki Te.,  Aoki Ta.,  Fukabori M.,  Remote sounding of the atmospheric water vapor  at  Hotan in  Taklimakan Desert,  Proceeding‑'of the  Japan‑China International  Sympo.,ium on the  "Study  of the  Mcchaninn of DeJertification",  Science  and  Technology Agency, Japan, 180‑184, 1993.  

Guinn J.  A., Jr.,  Plass G. N., Kattawar G. W., Sunglint glitter on a  wind‑ruffied sea: 

further studies, Applied Optic‑',  18, 842‑849, 1979. 

Plass G. N., Kattawar G. W .,  Guinn J.  A., Jr., Isophotes ofsunglint glitter on a  wind‑

ruffied sea, Applied Optic‑',  16, 643‑653, 1977. 

Reichle H. G.,  Jr.,  Beck S.  M.,  Haynes IL E.,  Hesketh W .  D.,  Holland J.  A.,  Hypes  W .  D.,  Orr III  II.  D.,  Sherrill  R. T.,  Wallio 11. A.,  Casas J.  C .,  Saylor M .  S.,  Gormsen B.  B.,  Carbon monoxide measurements in  the troposphere,  Science,  218, 1024‑1026, 1982. 

Rodgers C.  D.,  Retrieval of atmospheric temperature and composition from remol.e  measurements of thermal radiation,  Review of Geophy.,icJ  and Space  Phy.,ic.'

， 

11, 609‑624, 1976. 

Timchak A., Satellite‑derived moisture profiles,  N O A A  Tech.  Rep.  NESD!S, 24, 1986.  

(20)  海 洋 化 学 研 究 第8巻第1号 平 成7年4月