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Spectral sizing of a coarse-spectral-resolution satellite sensor for XCO2

Wilzewski, Jonas und Roiger, Anke-Elisabeth und Strandgren, Johan und Landgraf, Jochen und Feist, Dietrich G. und Velazco, Voltaire A. und Deutscher, Nicholas M. und Morino, Isamu und Ohyama, Hirofumi und Té, Yao und Kivi, Rigel und Warneke, Thorsten und Notholt, Justus und Dubey, Manvendra K. und Sussmann, Ralf und Rettinger, Markus und Hase, Frank und Shiomi, Kei und Butz, André (2020) Spectral sizing of a coarse-spectral-resolution satellite sensor for XCO2. Atmospheric Measurement Techniques (13), Seiten 731-745. Copernicus Publications. doi: 10.5194/amt-13-731-2020. ISSN 1867-1381.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
4MB

Offizielle URL: https://doi.org/10.5194/amt-13-731-2020

Kurzfassung

Verifying anthropogenic carbon dioxide (CO2) emissions globally is essential to inform about the progress of institutional efforts to mitigate anthropogenic climate forcing. To monitor localized emission sources, spectroscopic satellite sensors have been proposed that operate on the CO2 absorption bands in the shortwave-infrared (SWIR) spectral range with ground resolution as fine as a few tens of meters to about a hundred meters. When designing such sensors, fine ground resolution requires a trade-off towards coarse spectral resolution in order to achieve sufficient noise performance. Since fine ground resolution also implies limited ground coverage, such sensors are envisioned to fly in fleets of satellites, requiring low-cost and simple design, e.g., by restricting the spectrometer to a single spectral band. Here, we use measurements of the Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) to evaluate the spectral resolution and spectral band selection of a prospective satellite sensor with fine ground resolution. To this end, we degrade GOSAT SWIR spectra of the CO2 bands at 1.6 (SWIR-1) and 2.0 µm (SWIR-2) to coarse spectral resolution, without a further addition of noise, and we evaluate single-band retrievals of the column-averaged dry-air mole fractions of CO2 (XCO2) by comparison to ground truth provided by the Total Carbon Column Observing Network (TCCON) and by comparison to global “native” GOSAT retrievals with native spectral resolution and spectral band selection. Coarsening spectral resolution from GOSAT's native resolving power of >20 000 to the range of 700 to a few thousand makes the scatter of differences between the SWIR-1 and SWIR-2 retrievals and TCCON increase moderately. For resolving powers of 1200 (SWIR-1) and 1600 (SWIR-2), the scatter increases from 2.4 (native) to 3.0 ppm for SWIR-1 and 3.3 ppm for SWIR-2. Coarser spectral resolution yields only marginally worse performance than the native GOSAT configuration in terms of station-to-station variability and geophysical parameter correlations for the GOSAT–TCCON differences. Comparing the SWIR-1 and SWIR-2 configurations to native GOSAT retrievals on the global scale, however, reveals that the coarse-resolution SWIR-1 and SWIR-2 configurations suffer from some spurious correlations with geophysical parameters that characterize the light-scattering properties of the scene such as particle amount, size, height and surface albedo. Overall, the SWIR-1 and SWIR-2 configurations with resolving powers of 1200 and 1600 show promising performance for future sensor design in terms of random error sources while residual errors induced by light scattering along the light path need to be investigated further. Due to the stronger CO2 absorption bands in SWIR-2 than in SWIR-1, the former has the advantage that measurement noise propagates less into the retrieved XCO2 and that some retrieval information on particle scattering properties is accessible.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/134145/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Spectral sizing of a coarse-spectral-resolution satellite sensor for XCO2
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Wilzewski, JonasDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-1392-2966NICHT SPEZIFIZIERT
Roiger, Anke-ElisabethDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Strandgren, JohanDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0001-7876-5845NICHT SPEZIFIZIERT
Landgraf, JochenNetherlands Institute for Space Research, Utrecht, NiederlandeNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Feist, Dietrich G.DLR, IPA und Univ. Münchenhttps://orcid.org/0000-0002-5890-6687NICHT SPEZIFIZIERT
Velazco, Voltaire A.Univ. of Wollongong, NSW, Australienhttps://orcid.org/0000-0002-1376-438XNICHT SPEZIFIZIERT
Deutscher, Nicholas M.Univ. of Wollongong, NSW, Australienhttps://orcid.org/0000-0002-2906-2577NICHT SPEZIFIZIERT
Morino, IsamuNIES, Tsukuba, Japanhttps://orcid.org/0000-0003-2720-1569NICHT SPEZIFIZIERT
Ohyama, HirofumiNIES, Tsukuba, Japanhttps://orcid.org/0000-0003-2109-9874NICHT SPEZIFIZIERT
Té, YaoSorbonne Univ., Paris, FrankreichNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kivi, RigelFMI, Sodankylä, Finlandhttps://orcid.org/0000-0001-8828-2759NICHT SPEZIFIZIERT
Warneke, ThorstenUniv. BremenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Notholt, JustusUniv. BremenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Dubey, Manvendra K.Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, USAhttps://orcid.org/0000-0002-3492-790XNICHT SPEZIFIZIERT
Sussmann, RalfKIT, Garmisch-PartenkirchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rettinger, MarkusKIT, Garmisch-PartenkirchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hase, FrankKIT, KarlsruheNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Shiomi, KeiJAXA, Tsukuba, JapanNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Butz, AndréUniv. HeidelbergNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:13 Februar 2020
Erschienen in:Atmospheric Measurement Techniques
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.5194/amt-13-731-2020
Seitenbereich:Seiten 731-745
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1867-1381
Status:veröffentlicht
Stichwörter:passive remote sensing; CO2; spectral sizing; satellite; monitoring of emissions
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Atmosphären- und Klimaforschung
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre
Institut für Physik der Atmosphäre > Atmosphärische Spurenstoffe
Institut für Physik der Atmosphäre > Lidar
Hinterlegt von: Wilzewski, Jonas
Hinterlegt am:19 Feb 2020 18:00
Letzte Änderung:27 Okt 2023 15:15

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