Universität zu Köln

Maschwitz, Gerrit (2012). Assessment of Ground-Based Microwave Radiometer Calibration to Enable Investigation of Gas Absorption Models. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ground-based microwave radiometers are becoming more and more common for remotely sensing the atmospheric temperature and humidity profile, as well as path integrated cloud liquid water content. Several studies have been published, which compare radiosonde profiles with temperature profiles derived from microwave radiometer measurements and find biases of up to 1 K. The retrieved temperature profile is based on radiometric measurements and radiative transfer calculations. Once the accuracy of radiometer measurements is known, these can be used to validate existing gas absorption models. As the absolute accuracy of microwave radiometer measurements is determined by the quality of the calibration, this work investigates the uncertainty of two calibration techniques, which are commonly used with microwave radiometers. Namely, these are the liquid nitrogen calibration and the tipping curve calibration (Han and Westwater, 2000). Both methods are known to have open issues concerning systematic offsets and calibration repeatability. In this regard, this work focuses on the error assessment for the absolute calibration of the network suitable microwave radiometer HATPRO-G2 (Humidity And Temperature PROfiler - Generation 2), which makes up a significant part of the worldwide available systems (Rose et al., 2005). In order to capture dry high altitude conditions on the one side and mid-latitude, close to sea level conditions on the other side, the analysis is based on two deployments. Between August and October 2009, HATPRO-G2 was part of the Radiative Heating of Underexplored Bands Campaign - Part 2 (RHUBC-II) in Northern Chile (5320 m above mean sea level) conducted within the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) program. Since 2010, it is part of the JOYCE (Jülich ObservatorY for Cloud Evolution) site located in Germany 92 m above mean sea level. For each of the deployments, a detailed error propagation for both techniques is performed. The uncertainty range of brightness temperature Tb measurements based on a single liquid nitrogen calibration is mainly caused by a reflective component from the liquid nitrogen surface of the cold calibration target. The overall calibration uncertainty is assessed for typical Tb values measured at each deployment. For RHUBC-II, the maximum uncertainty of $T_b$ has been determined to +-1.6 K in the K-band and to +-1.0 K in the V-band. For JOYCE, the maximum uncertainty is assessed to be +-1.5 K in the K-band and +-0.6 K in the V-band. When a standing wave phenomena at the cold calibration point is eliminated by averaging several calibrations, the uncertainty in the K-band can be reduced to +-0.8 K for both deployments. In the V-band, the uncertainties are reduced to values less or equal +-0.7 K for both deployments. Furthermore, the analyses of the liquid nitrogen calibration has revealed, that the pressure dependent boiling point correction for liquid nitrogen, originally used by HATPRO-G2, is only exact for standard pressure conditions. Therefore, the boiling point correction has been modified and is now valid for all altitudes. At the low pressure conditions of RHUBC-II (530 hPa), the improved boiling point correction shifts the cold target temperature compared to the previously used formulation by more than 1 K. HATPRO-G2 has seven channels in the K-band and seven channels in the V-band. At standard pressure conditions, only the K-band channels are transparent enough to be calibrated by the tipping curve calibration. However, at 530 hPa, the technique can be applied to two low opacity channels in the V-band as well. This offers the unique opportunity of an independent validation of the liquid nitrogen calibration in the V-band. The analysis shows, that the uncertainty in the tipping curve calibration is mainly due to atmospheric inhomogeneities. For RHUBC-II, the total uncertainty is assessed to be +-0.1 K to +-0.2 K in the K-band and +-0.6 K and +-0.7 K for the two V-band channels at 51 GHZ and 52 GHz. For the low altitude deployment at JOYCE, the total uncertainties for K-band channels are +-0.2 K to +-0.6 K. Finally, the well-characterized radiometer measurements are used to investigate current absorption models. The profiles of temperature, humidity, and pressure from 62 clear sky radiosondes are used for Tb simulations at zenith and compared to HATPRO-G2 measurements. Biases, outside the uncertainty range of the calibration can be ascribed to errors within the gas absorption coefficients. It is found that the results of the Atmospheric Model (AM)(Paine, 2012), which uses the most recent oxygen absorption parameters (Tretyakov et al., 2005, Makarov et al., 2011), are closest to RHUBC-II measurements.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Untersuchung der Kalibration von bodengebundenen Mikrowellenradiometern als Voraussetzung zur Bewertung von Gasabsorptionsmodellen German
Translated abstract:	Abstract Language Bodengebundene Mikrowellenradiometer werden zunehmend für die Fernerkundung von Temperatur- und Feuchteprofilen, sowie die integrierten Flüssigwassergehalte genutzt. In mehreren publizierten Vergleichsstudien zwischen Radiosondenaufstiegen und aus Mikrowellenradiometermessungen abgeleiteten Temperaturprofilen sind Abweichungen von bis zu 1 K festgestellt worden. Die Ableitung der Temperaturprofile basiert auf Mikrowellenradiometermessungen und Strahlungstransportrechnungen. Daher können Mikrowellenradiometermessungen mit bekannter Genauigkeit zur Validierung von Gasabsorptionsmodellen verwendet werden. Da die absolute Messgenauigkeit von der Güte der Kalibration abhängt, untersucht diese Arbeit die Unsicherheiten, die mit zwei für Mikrowellenradiometer üblichen Kalibrationsverfahren vebunden sind. Namentlich sind dies die Flüssigstickstoffkalibration und die sogenannte "tipping curve" Kalibration (Han und Westwater, 2000). Beide Verfahren zeichnen sich durch noch ungelöste Fragen bezüglich systematischer Fehler und der Wiederholbarkeit aus. Von diesen Fragestellungen ausgehend, liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Untersuchung der Kalibrationsverfahren anhand des Mikrowellenradiometers HATPRO-G2 (Humidity and Temperature PROfiler - Generation 2), welches einen Großteil der weltweit operierenden Radiometer dieser Art ausmacht (Rose et al., 2005). Die Analyse basiert auf Daten von zwei verschiedene Messstandorten, um auf der einen Seite trockene Bedingungen in großen Höhen und auf der anderen Seite typische Bedingungen der mittleren Breiten auf Meeresniveau, abzudecken. Zwischen August und Oktober 2009 war HATPRO-G2 im Rahmen des "Atmospheric Radiation Measurement" (ARM) Programms teil der zweiten Phase der Messkampagne "Radiative Heating of Underexplored Bands Campaign"(RHUBC-II) im Norden von Chile (5320 m über NN). Seit 2011 ist das Radiometer fester Bestanteil des Jülich ObservatorY for Cloud Evolution, kurz JOYCE (92 m über NN). Für beide Messstandorte wird eine detaillierte Fehlerbetrachtung von zwei Kalibrationsverfahren durchgeführt. Der Unsicherheitsbereich von Messungen der Helligkeitstemperatur (Tb), die auf einer einzelnen Flüssigstickstoffkalibration beruhen, rührt größtenteils von einer reflektiven Komponente her, die von der Oberfläche des Flüssigstickstoffs empfangen wird. Die Gesamtunsicherheit für beide Messstandorte wird für typische Werte der gemessenen Helligkeitstemperatur Tb ausgewertet. Für RHUBC-II werden die maximalen Tb Unsicherheiten im K-Band zu +-1.6 K und im V-Band zu +-1.0 K bestimmt. Für JOYCE sind die entsprechenden Werte +-1.5 K im K-Band und +-0.6 K im V-Band. Wenn ein beobachtetes Stehwellenphänomen am kalten Kalibrationspunkt durch Mittelung mehrerer Kalibrationen eliminiert wird, werden die Unsicherheiten im K-Band für beide Messstandorte auf +-0.8 K reduziert. Im V-Band, sind die reduzierten Unsicherheiten kleiner oder gleich +-0.7 K. Weiterhin hat die Analyse der Flüssigstickstoffkalibration ergeben, daß die ursprünglich verwendete druckabhängige Siedepunktkorrektur für flüssigen Stickstoff, nur unter Standarddruck ausreichend exakte Ergebnisse liefert. Daher wurde die Siedepunktkorrektur modifiziert und ist nun auf allen Höhen anwendbar. Auf dem während RHUBC-II herschenden Druckniveau von 530 hPa, verschiebt die verbesserte Siedepunktkorrektur die angenommene Temperatur der kalten Last um mehr als 1 K. HATPRO-G2 besitzt sieben Kanäle im K-Band und sieben Kanäle im V-Band. Unter Standarddruckbedingungen sind nur die Kanäle im K-Band ausreichend transparent, um mit der "tipping curve" Methode kalibriert zu werden. Allerdings können bei einem Druck von 530 hPa auch zwei V-Band Kanäle mit niedriger Opazität per "tipping curve" kalibriert werden. Dies bietet die Möglichkeit einer unabhängigen Validierung der Flüssigstickstoffkalibration im V-Band. Die Analyse zeigt, dass die Unsicherheit der "tipping curve" Kalibration hauptsächlich durch atmosphärische Inhomogenitäten verursacht wird. Für RHUBC-II, wird die Gesamtunsicherheit im K-Band zu +-0.1 K bis +-0.2 K und für die beiden Kanäle im V-Band bei 51 GHz und 52 GHz zu +-0.6 K und +-0.7 K bestimmt. Für den Messstandort nahe dem Meeresniveau (JOYCE) bewegen sich die Unsicherheiten im K-Band zwischen +-0.2 K und +-0.6 K. Nach Abschätzung der absoluten Genauigkeit der Radiometermessungen, werden diese letztendlich zur Untersuchung existierender Gasabsorptionsmodelle verwendet. Die Temperatur-, Feuchte- und Druckprofile von 62 wolkenfreien Radiosondenaufstiegen werden zur Tb Simulation im Zenit verwendet. Diese Tb Simulationen werden dann mit HATPRO-G2 Messungen verglichen. Abweichungen zwischen Modell und Messung außerhalb der bestimmten Unsicherheitsbereiche, können Fehlern innerhalb der Gasabsorptionsmodelle zugeschrieben werden. Es wird festgestellt, dass die Resultate des "Atmospheric Model" (AM) (Paine, 2012), welches die aktuellsten Sauerstoffabsorptionsparameter verwendet (Tretyakov et al., 2005, Makarov et al., 2011), die geringsten Abweichungen zu den RHUBC-II Messungen zeigen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Maschwitz, Gerrit gerritmaschwitz@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-53908
Date:	3 December 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language microwave radiometry, microwave radiometer, calibration, gas absorption English Mikrowellenradiometrie, Mikrowellenradiometer, Kalibration, Gasabsorption German
Date of oral exam:	22 January 2013
Referee:	Name Academic Title Crewell, Susanne Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5390