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Algorithmic vs. finite difference Jacobians for infrared atmospheric radiative transfer

Schreier, Franz und Gimeno Garcia, Sebastian und Vasquez, Mayte und Xu, Jian (2015) Algorithmic vs. finite difference Jacobians for infrared atmospheric radiative transfer. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 164, Seiten 147-160. Elsevier. doi: 10.1016/j.jqsrt.2015.06.002. ISSN 0022-4073.

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Offizielle URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022407315002022

Kurzfassung

Jacobians, i.e. partial derivatives of the radiance and transmission spectrum with respect to the atmospheric state parameters to be retrieved from remote sensing observations, are important for the iterative solution of the nonlinear inverse problem. Finite difference Jacobians are easy to implement, but computationally expensive and possibly of dubious quality; on the other hand, analytical Jacobians are accurate and efficient, but the implementation can be quite demanding. GARLIC, our “Generic Atmospheric Radiation Line-by-line Infrared Code”, utilizes algorithmic differentiation (AD) techniques to implement derivatives w.r.t. atmospheric temperature and molecular concentrations. In this paper, we describe our approach for differentiation of the high resolution infrared and microwave spectra and provide an in-depth assessment of finite difference approximations using “exact” AD Jacobians as a reference. The results indicate that the “standard” two-point finite differences with 1 K and 1 % perturbation for temperature and volume mixing ratio, respectively, can exhibit substantial errors, and central differences are significantly better. However, these deviations do not transfer into the truncated singular value decomposition solution of a least squares problem. Nevertheless, AD Jacobians are clearly recommended because of the superior speed and accuracy.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/95963/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Algorithmic vs. finite difference Jacobians for infrared atmospheric radiative transfer
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Schreier, FranzFranz.Schreier (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7196-6599NICHT SPEZIFIZIERT
Gimeno Garcia, Sebastiansebastian.gimenogarcia (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Vasquez, Maytemayte.vazquez (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Xu, Jianjian.xu (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2348-125XNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2015
Erschienen in:Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:164
DOI:10.1016/j.jqsrt.2015.06.002
Seitenbereich:Seiten 147-160
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Mengüç, M. PinarÖzyeğin University, Istanbul, TurkeyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Rothman, Laurence S.Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Massachusetts, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mishchenko, Michael I.NASA-Goddard Institute for Space Studies, New York, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Elsevier
ISSN:0022-4073
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Atmospheric Radiative Transfer, Infrared, Microwave, Line–by–line, Automatic differentiation, Finite difference
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erdbeobachtung
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EO - Erdbeobachtung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Vorhaben Spektrometrische Verfahren und Konzepte der Fernerkundung (alt)
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Methodik der Fernerkundung > Atmosphärenprozessoren
Hinterlegt von: Schreier, Dr.rer.nat. Franz
Hinterlegt am:15 Apr 2015 13:54
Letzte Änderung:28 Nov 2023 09:21

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