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Iterative approach to self-adapting and altitude-dependent regularization for atmospheric profile retrievals

A practical approach is proposed to apply a regularization constraint to concentration profiles of atmospheric constituents obtained from the ill-conditioned inversion of spectroscopic measurements. The strength of the constraint is self-adapting and height-dependent

In this work we present the IVS (Iterative Variable Strength) method. This is an altitude-dependent, self-adapting Tikhonov regularization scheme for atmospheric profile retrievals. The new method does not need any specifically tuned minimization routine, hence, from the computational point of view it is robust and fast.

We test the self-consistency of the method using simulated observations of the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS), a mid-infrared atmospheric limb emission sounder that successfully operated in the years from 2002 to 2012 on board of the polar orbiting satellite ENVISAT.

We compare the performance of the new method with other schemes available from the literature and an old scalar method that was implemented in the MIPAS on-line processor. For the comparison we use both both synthetic and real atmospheric limb measurements. The IVS method shows very good performance.

The algorithm is now implemented in the Version 7.0 of the code used by the European Space Agency (ESA) for routine MIPAS data processing.

DOI: http://dx.doi.org/10.1364/OE.19.026696

https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/envisat/instruments/mipas

DIFA authors: Marco Ridolfi

Un approccio iterativo di regolarizzazione auto-adattante e dipendente dalla quota, per l'inversione di profili atmosferici

In questo lavoro proponiamo un approccio pratico per applicare un vincolo di regolarità ai profili di concentrazione di composti atmosferici ricavati dall'inversione mal-condizionata di misure spettroscopiche. La forza del vincolo è autoadattante e dipendente dalla quota

In questo lavoro proponiamo il metodo IVS (Iterative Variable Strength, cioè un metodo Iterativo a Forza Variabile). Si tratta di uno schema di regolarizzazione di Tikhonov con intensità autoadattante e dipendente dalla quota, per l'inversione di profili atmosferici. Il metodo proposto non necessita di alcuna routine di minimizzazione specificatamente ottimizzata, pertanto, dal punto di vista computazionale risulta veloce e robusto.

In questo lavoro verifichiamo l'autoconsistenza del metodo usando osservazioni sintetiche del Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS), uno spettrometro che ha misurato spettri di emissione al lembo atmosferico nel medio infrarosso, a bordo del satellite polare ENVISAT negli anni dal 2002 al 2012.

Nel lavoro confrontiamo le prestazioni del nuovo metodo di regolarizzazione con quelle di altri schemi proposti in letteratura e con quelle di un metodo scalare implementato in una vecchia versione del processore on-line per le misure di MIPAS. Per il confronto usiamo misure al lembo atmosferico, sia simulate che reali. Il metodo IVS risulta avere ottime prestazioni. Questo algoritmo è ora implementato nella versione 7.0 del codice usato dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA) per l'analisi routinaria delle misure di MIPAS.