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Institut für Energie- und Klimaforschung

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JURASSIC (Inverse radiance modeling)

Die Auswertung von Horizont- und Nadirsondierern im Infrarotbereich ist ein inverses Problem. Zur Lösung werden ein akkurates Strahlungstransportmodel und assoziierte Invertierungsverfahren benötigt. JURASSIC ist ein am IEK-7 entwickeltes Softwarepaket zur Auswertung von Messdaten solcher Instrumente.

Der Beitrag verschiedener Spurengase zu spektral aufgelöster Infrarotstrahlung, wie sie von Horizontsondierern wie GLORIA gemessen wird. Der Beitrag verschiedener Spurengase zu spektral aufgelöster Infrarotstrahlung, wie sie von Horizontsondierern wie GLORIA gemessen wird.

HNO3 Konzentrationen, die mit JURASSIC2 aus CRISTA-NF Messungen während Der RECONCILE Kampagne abgeleitet wurden.HNO3 Konzentrationen, die mit JURASSIC2 aus CRISTA-NF Messungen während Der RECONCILE Kampagne abgeleitet wurden.

Die ursprüngliche Version wurde von Dr. Lars Hoffmann erstellt und zur Auswertung von MIPAS und CRISTA-NF Daten benutzt. Aktuell werden spezielle AIRS Retrieval zur Untersuchung von Schwerwellen sowie drei ESA Studien zur Auswahl der PREMIER Mission für ESA-Earth-Explorer 7 durchgeführt. Das in C verfasste Modell enthält im Kern ein Strahlentransportmodell basierend auf der "emissivity growth" Approximation und der Curtis-Godson Approximation. Dies sind Bandmodelle, die Referenztabellen im Voraus berechnen und dadurch bis zu tausendmal schneller sind als genauere Modelle, die auf der Auswertung aller Spektrallinien basieren. Durch ein 3-D Raytracingverfahren ist das Modell in der Lage sich den Blickgeometrien verschiedenster Instrumenteanzupassen. Die Inversion der Messdaten wird mittels des Bayesschen Verfahrens der Optimalen Schätzung durchgeführt.

Die neue Version der Software, JURASSIC2, wird von mehreren Doktoranden und Post-Docs am Institut weiterentwickelt. JURASSIC2 wird in Retrieval-Studien zur (tomographischen) Ableitung von 3-D Spurengasverteilungen aus PREMIER und GLORIA Daten eingesetzt. Aktuell werden mit JURASSIC2 auch CRISTA-NF Messungen ausgewertet, die während der RECONCILE Kampagne aufgenommen wurden.
Das Python/C++ basierte JURASSIC2 enthält zusätzlich ein allgemeines Instrumentenmodell, das Blickfeld und korrelierte Instrumenteneffekte akkurat simulieren kann, auch für verschiedene Instrumente in derselben Auswertung. Die lineare Algebra kann dünne Matrizen und assoziierte Algorithmen nutzen, was insbesondere für 2-D oder 3-D tomographische Auswertung massive Vorteile bringt. Neben der Bayesschen Schätzung wird auch Tikhonov-Regularisierung in verschiedenen Normen unterstützt. In einer Kooperation mit dem STCE der RWTH Aachen wird an einer analytischen Ableitung mittels algorithmischer Differentiation gearbeitet, die bereits in der Lage ist, Ableitungsmatrizen mit geringen Zusatzkosten während der Ausführung des Modells mitzuberechnen. Dies reduziert den typischen Rechenzeitbedarf einer Inversion je nach Problemgröße um ein bis drei Größenordnungen.





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