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Volcanic SO2 Effective Layer Height Retrieval for OMI Using a Machine Learning Approach

Fedkin, Nikita und Li, Can und Krotkov, Nickolay und Hedelt, Pascal und Loyola, Diego und Dickerson, Russell R. und Spurr, Robert (2021) Volcanic SO2 Effective Layer Height Retrieval for OMI Using a Machine Learning Approach. Atmospheric Measurement Techniques (AMT), 14 (5), Seiten 3673-3691. Copernicus Publications. doi: 10.5194/amt-14-3673-2021. ISSN 1867-1381.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://amt.copernicus.org/articles/14/3673/2021/

Kurzfassung

Information about the height and loading of sulfur dioxide (SO2) plumes from volcanic eruptions is crucial for aviation safety and for assessing the effect of sulfate aerosols on climate. While SO2 layer height has been successfully retrieved from backscattered Earthshine ultraviolet (UV) radiances measured by the Ozone Monitoring Instrument (OMI), previously demonstrated techniques are computationally intensive and not suitable for near-real-time applications. In this study, we introduce a new OMI algorithm for fast retrievals of effective volcanic SO2 layer height. We apply the Full-Physics Inverse Learning Machine (FP_ILM) algorithm to OMI radiances in the spectral range of 310–330 nm. This approach consists of a training phase that utilizes extensive radiative transfer calculations to generate a large dataset of synthetic radiance spectra for geophysical parameters representing the OMI measurement conditions. The principal components of the spectra from this dataset in addition to a few geophysical parameters are used to train a neural network to solve the inverse problem and predict the SO2 layer height. This is followed by applying the trained inverse model to real OMI measurements to retrieve the effective SO2 plume heights. The algorithm has been tested on several major eruptions during the OMI data record. The results for the 2008 Kasatochi, 2014 Kelud, 2015 Calbuco, and 2019 Raikoke eruption cases are presented here and compared with volcanic plume heights estimated with other satellite sensors. For the most part, OMI-retrieved effective SO2 heights agree well with the lidar measurements of aerosol layer height from Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) and thermal infrared retrievals of SO2 heights from the infrared atmospheric sounding interferometer (IASI). The errors in OMI-retrieved SO2 heights are estimated to be 1–1.5 km for plumes with relatively large SO2 signals (>40 DU). The algorithm is very fast and retrieves plume height in less than 10 min for an entire OMI orbit.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/137725/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Volcanic SO2 Effective Layer Height Retrieval for OMI Using a Machine Learning Approach
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Fedkin, NikitaDepartment of Atmospheric and Oceanic Science, University of Maryland, College Park, MD, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Li, CanNASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD 20771, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Krotkov, NickolayUniv. of Maryland at Baltimore County, Baltimore, MD USAhttps://orcid.org/0000-0001-6170-6750NICHT SPEZIFIZIERT
Hedelt, PascalPascal.Hedelt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1752-0040NICHT SPEZIFIZIERT
Loyola, DiegoDiego.Loyola (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8547-9350NICHT SPEZIFIZIERT
Dickerson, Russell R.Univ. Maryland, College Park, MD, USAhttps://orcid.org/0000-0003-0206-3083NICHT SPEZIFIZIERT
Spurr, RobertRT Solutions, Cambridge, MA, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:20 Mai 2021
Erschienen in:Atmospheric Measurement Techniques (AMT)
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:14
DOI:10.5194/amt-14-3673-2021
Seitenbereich:Seiten 3673-3691
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1867-1381
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Volcanoes, SO2, SO2 Layer height, Machine learning
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Spektroskopische Verfahren der Atmosphäre
Standort: Berlin-Adlershof , Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Hinterlegt von: Hedelt, Pascal
Hinterlegt am:19 Nov 2020 11:21
Letzte Änderung:28 Mai 2021 16:59

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