scholarly journals Global Ocean Studies from CALIOP/CALIPSO by Removing Polarization Crosstalk Effects

2021 ◽  
Vol 13 (14) ◽  
pp. 2769
Author(s):  
Xiaomei Lu ◽  
Yongxiang Hu ◽  
Ali Omar ◽  
Rosemary Baize ◽  
Mark Vaughan ◽  
...  

Recent studies indicate that the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) aboard the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) satellite provides valuable information about ocean phytoplankton distributions. CALIOP’s attenuated backscatter coefficients, measured at 532 nm in receiver channels oriented parallel and perpendicular to the laser’s linear polarization plane, are significantly improved in the Version 4 data product. However, due to non-ideal instrument effects, a small fraction of the backscattered optical power polarized parallel to the receiver polarization reference plane is misdirected into the perpendicular channel, and vice versa. This effect, known as polarization crosstalk, typically causes the measured perpendicular signal to be higher than its true value and the measured parallel signal to be lower than its true value. Therefore, the ocean optical properties derived directly from CALIOP’s measured signals will be biased if the polarization crosstalk effect is not taken into account. This paper presents methods that can be used to estimate the CALIOP crosstalk effects from on-orbit measurements. The global ocean depolarization ratios calculated both before and after removing the crosstalk effects are compared. Using CALIOP crosstalk-corrected signals is highly recommended for all ocean subsurface studies.

Author(s):  
Xiaomei Lu ◽  
Yongxiang Hu ◽  
Ali Omar ◽  
Rosemary Baize ◽  
Mark Vaughan ◽  
...  

Recent studies indicate that the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) aboard the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) satellite provides valuable information about ocean phytoplankton distributions. CALIOP’s attenuated backscatter coefficients, measured at 532 nm in receiver channels oriented parallel and perpendicular to the laser’s linear polarization plane, are significantly improved in the Version 4 data product. However, due to non-ideal instrument effects, a small fraction of the backscattered optical power polarized parallel to the receiver polarization reference plane is misdirected into the perpendicular channel, and vice versa. This effect, known as polarization crosstalk, typically causes the measured perpendicular signal to be higher than its true value and the measured parallel signal to be lower than its true value. Therefore, the ocean optical properties derived directly from CALIOP’s measured signals will be biased if the polarization crosstalk effect is not taken into account. This paper presents methods that can be used to estimate the CALIOP crosstalk effects from on-orbit measurements. The global ocean depolarization ratios calculated both before and after removing the crosstalk effects are compared. Using CALIOP crosstalk-corrected signals is highly recommended for all ocean subsurface studies.


2018 ◽  
Author(s):  
Εμμανουήλ Προεστάκης

Πρωταρχικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η κάλυψη των γνωστικών κενών σχετικά με το ρόλο των αερολυμάτων στον ατμοσφαιρικό ηλεκτρισμό, με επίκεντρο την επίδραση των αερολυμάτων στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας. Προς αυτή την κατεύθυνση πραγματοποιήθηκε συνεργιστική χρήση δορυφορικών τεχνικών ενεργητικής και παθητικής τηλεπισκόπησης, με απώτερο στόχο τη μελέτη της πλήρους τρισδιάστατης δομής της ατμόσφαιρας σε όρους αερολυμάτων, τόσο κατά τη διάρκεια περιόδων ήπιων καιρικών συνθηκών όσο και κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Παράλληλα, ενεργητική δορυφορική τηλεπισκόπηση χρησιμοποιήθηκε προς μελέτη τού τύπου των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων στην διαμόρφωση κεραυνικής δραστηριότητας.Για τη διεξαγωγή αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις κεραυνικής δραστηριότητας από το σύστημα ZEUS, το οποίο λειτουργεί και συντηρείται από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών (ΕΑΑ), στην Ελλάδα. Για την οριζόντια κατανομή των αερολυμάτων χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις οπτικού βάθους από τον αισθητήρα MODIS, επί του ηλιοσύγχρονου δορυφόρου Aqua. Για την εξαγωγή της πληροφορίας της τρισδιάστατης κατανομής των αερολυμάτων πάνω από εκτεταμένες γεωγραφικές περιοχές, κρίθηκε απαραίτητη η χρήση τεχνικών ενεργητικής τηλεπισκόπησης με έμφαση στη χρήση δορυφορικών “light detection and ranging” (lidar). Κατά τη διάρκεια της διατριβής τα μόνα διαθέσιμα δορυφορικά συστήματα lidar ήταν τα: (i) Cloud Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) επί του δορυφόρου Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) και το Cloud Aerosol Transport System (CATS) επί της πλατφόρμας International Space Station (ISS).Κατά το πρώτο στάδιο της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές παρατηρήσεις τόσο από παθητικούς όσο και από ενεργητικούς αισθητήρες τηλεπισκόπησης, σε συνέργεια με παρατηρήσεις κεραυνικής δραστηριότητας. Απώτερος στόχος αποτέλεσε η μελέτη της πλήρους τρισδιάστατης (3D) δομής των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, τόσο κατά τη διάρκεια περιόδων ήπιων καιρικών συνθηκών όσο και κατά τη διάρκεια καταιγίδων. Προς την πραγμάτωση του στόχου αυτού έγινε χρήση παρατηρήσεων κεραυνικής δραστηριότητα από το σύστημα ZEUS, τιμές οπτικού βάθους αερολυμάτων στα 550 nm από τον αισθητήρα MODIS Aqua καθώς και κατακόρυφη δομή των αερολυμάτων από το σύστημα CALIOP CALIPSO. Γεωγραφική περιοχή μελέτης αποτέλεσε η ευρύτερη Μεσόγειος Θάλασσα, ενώ η περίοδος μελέτης εκτείνεται μεταξύ του 2005 και 2014. Τα αποτελέσματα έδειξαν το σημαντικό ρόλο των αερολυμάτων στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας.Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά την οριζόντια κατανομή των αερολυμάτων, το μέσο οπτικό βάθος των ημερών που χαρακτηρίζεται από κεραυνική δραστηριότητα βρέθηκε υψηλότερο από το μέσο εποχιακό οπτικό βάθος στο 90% των περιπτώσεων. Επιπρόσθετα δείχθηκε ότι ο αριθμός των κεραυνών αυξάνεται με την αύξηση του οπτικού βάθους, καθώς και ότι η πιο έντονη αύξηση παρατηρείται κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου και για τιμές οπτικού βάθους έως και 0,4. Παράλληλα, χρονοσειρές μεταβολών οπτικού βάθους και κεραυνικής δραστηριότητας κατέδειξαν την παρόμοια συμπεριφορά μεταξύ των εποχιακών ανωμαλιών του οπτικού βάθους και του αριθμού των ημερών με κεραυνική δραστηριότητα.Επιπροσθέτως της οριζόντιας χωρικής κατανομής των αερολυμάτων χρησιμοποιήθηκαν παρατηρήσεις του συστήματος CALIOP προκειμένου να μελετηθεί η κατακόρυφη κατανομή των αερολυμάτων, καθώς και ο τύπος τους, στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας. Τα αποτελέσματα της μελέτης με χρήση CALIOP, όπως και στη περίπτωση της μελέτης με χρήση MODIS, κατέδειξαν τη σημαντικότητα των αερολυμάτων στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μελέτης, η κεραυνική δραστηριότητα ενισχύεται κατά τη διάρκεια ημερών που χαρακτηρίζονται από υψηλότερες τιμές οπτικού βάθους σε σύγκριση με τις ημέρες χαμηλότερου οπτικού βάθους. Οι τιμές του οπτικού βάθους από το CALIOP και της κεραυνικής δραστηριότητας χαρακτηρίζονται από συντελεστής συσχέτισης 0.73, ενώ στην περίπτωση της σύγκρισης της κεραυνικής δραστηριότητας και του ECMWF CAPE, ο αντίστοιχος συντελεστής βρέθηκε ίσος με 0.93. Η ανάλυση των τιμών εξασθένησης στα 532 nm έδειξε ότι υπάρχει ένα υψομετρικό εύρος μεταξύ 1,1 και 2,9 km, όπου οι συντελεστές εξασθένησης των περιπτώσεων κεραυνικής δραστηριότητας και των περιπτώσεων που δε χαρακτηρίζονται από κεραυνική δραστηριότητα είναι στατιστικά σημαντικά διαφορετικοί. Τέλος, με βάση την ταξινόμηση του τύπου των αερολυμάτων όπως αυτή πραγματοποιείται από τους αλγορίθμους του CALIPSO, δείχθηκε ότι τα αερολύματα polluted dust παρατηρούνται συχνότερα κατά τις ημέρες χωρίς κεραυνική δραστηριότητα, ενώ τα αερολύματα τύπου dust και smoke παρατηρούνται πιο συχνά στην ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια ημερών με κεραυνική δραστηριότητα.Το δεύτερο στάδιο της διδακτορικής διατριβής επικεντρώνεται στα αερολύματα τύπου ερημικής σκόνης. Η πολυπλοκότητα και η σημαντικότητα της ερημικής σκόνης στη διαμόρφωση της κεραυνικής δραστηριότητας οδήγησε στην ανάγκη αποσύνδεσης της συνιστώσας της καθαρής σκόνης από το συνολικό φορτίο των αερολυμάτων. Επιπρόσθετα, η ανάγκη αυτή προήλθε από το γεγονός ότι η ερημική σκόνη αποτελεί έναν από τους επικρατέστερους τύπους αερολυμάτων στην ευρύτερη γεωγραφική περιοχή της Μεσογείου. Με στόχο την κατανόηση των αερολυμάτων ερημικής σκόνης εφαρμόστηκαν προηγμένες μέθοδοι τηλεπισκόπησης οι οποίες αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο του European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET), με απώτερο στόχο την αποσύνδεση της συνιστώσας της καθαρής σκόνης από κάθε ετερόκλητο μείγμα διαφορετικών αερολυμάτων. Η σχετική μεθοδολογία πριν χρησιμοπoιηθεί, διακριβώθηκε έναντι του δικτύου αναφοράς AErosol RObotic NETwork (AERONET), και στη συνέχεια εφαρμόστηκε στην ευρύτερη περιοχή της Νότιας και Ανατολικής Ασίας. Η συγκεκριμένη περιοχή επιλέχθηκε λόγω των εκτεταμένων ανθρωπογενών εκπομπών με ταυτόχρονη παρουσία σωματιδίων ερημικής σκόνης. Με τη βοήθεια της περίπτωσης της Ασίας επιτεύχθηκε διαχωρισμός του τμήματος της καθαρής σκόνης από σύνολο των αερολυμάτων, αποφεύγοντας το θαλάσσιο άλας, το οποίο αποτελεί και βασικό τύπο αερολυμάτων στην περιοχή της Μεσογείου.Για την πραγμάτωση των απώτερων στόχων της διδακτορικής διατριβής χρησιμοποιήθηκαν εκτεταμένα διακριβωμένες μετρήσεις του συνόλου των παρατηρήσεων από CALIPSO, οι οποίες είναι χρήσιμες τόσο για τη μελέτη συγκεκριμένων ατμοσφαιρικών περιπτώσεων όσο και για μελέτες εκτεταμένης τρισδιάστατης κλιματολογίας. Για την μελέτη ωστόσο της ημερήσιας διακύμανσης των αερολυμάτων χρειάστηκε η αξιοποίηση παρατηρήσεων από τον μη πολικής τροχιάς αισθητήρα CATS. Ωστόσο δυστυχώς τα προϊόντα του CATS δεν ήταν διακριβωμένα. Για τις ανάγκες της παρούσας διδακτορικής διατριβής και με στόχο τη χρήση των CATS δεδομένων πραγματοποιήθηκε η διακρίβωση του CATS lidar. Η διακρίβωση της ποιότητας και αντιπροσωπευτικότητας του CATS πραγματοποιήθηκε μέσω της ενδελεχούς σύγκρισης, για πρώτη φορά, με τις παρατηρήσεις του επίγειου δικτύου lidars EARLINET. Η μελέτη αυτή αποτελεί το τρίτο και τελευταίο μέρος της παρούσας εργασίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατανομή των απόλυτων διαφορών μεταξύ CATS και EARLINET χαρακτηρίζεται από μέση τιμή -1,518e-04 km-1sr-1, γεωμετρικό μέσο -9,94e-05 km-1sr-1 και τυπική απόκλιση 6.634e-04 km-1sr-1. Συνολικά, η μελέτη κατέδειξε την υψηλής ποιότητας απόδοση του συστήματος CATS.


2013 ◽  
Vol 2013 ◽  
pp. 1-10 ◽  
Author(s):  
Kostas Kalokasidis ◽  
Meltem Onder ◽  
Myrto-Georgia Trakatelli ◽  
Bertrand Richert ◽  
Klaus Fritz

In this prospective clinical study, the Q-Switched Nd:YAG 1064 nm/532 nm laser (Light Age, Inc., Somerset, NJ, USA) was used on 131 onychomycosis subjects (94 females, 37 males; ages 18 to 68 years). Mycotic cultures were taken and fungus types were detected. The laser protocol included two sessions with a one-month interval. Treatment duration was approximately 15 minutes per session and patients were observed over a 3-month time period. Laser fluencies of 14 J/cm2were applied at 9 billionths of a second pulse duration and at 5 Hz frequency. Follow-up was performed at 3 months with mycological cultures. Before and after digital photographs were taken. Adverse effects were recorded and all participants completed “self-evaluation questionnaires” rating their level of satisfaction. All subjects were well satisfied with the treatments, there were no noticeable side effects, and no significant differences were found treating men versus women. At the 3-month follow-up 95.42% of the patients were laboratory mycologically cured of fungal infection. This clinical study demonstrates that fungal nail infections can be effectively and safely treated with Q-Switched Nd:YAG 1064 nm/532 nm laser. It can also be combined with systemic oral antifungals providing more limited treatment time.


2010 ◽  
Vol 10 (7) ◽  
pp. 17263-17305 ◽  
Author(s):  
D. L. Wu ◽  
J. H. Chae ◽  
A. Lambert ◽  
F. F. Zhang

Abstract. To study cloud/aerosol features in the upper troposphere and lower stratosphere (UT/LS) with the NASA's A-Train sensors, a research algorithm is developed for a re-gridded CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) Level 1 (L1) backscatter dataset. This paper provides a detailed analysis of the measurement noise of this re-gridded dataset in order to compare the lidar measurements with other collocated measurements (e.g., CloudSat, Microwave Limb Sounder). The re-gridded dataset has a manageable data volume for multi-year analysis. It has a fixed (5 km) horizontal resolution, and the measurement error is derived empirically from the background-corrected backscatter profile on a profile-by-profile basis. The 532-nm and 1064-nm measurement noises, determined from the data at altitudes above 19 km, are analyzed and characterized in terms of the mean (μ), standard deviation (σ), and normalized probability density function (PDF). These noises show a larger variance over landmasses and bright surfaces during day, and in regions with enhanced flux of energetic particles during night, where the instrument's ability for feature detection is slightly degraded. An increasing trend in the nighttime 1064-nm σ appears to be significant, which likely causes the increasing differences in cloud occurrence frequency between the 532-nm and 1064-nm channels. Most of the CALIOP backscatter noise distributions exhibit a Gaussian-like behavior but the nighttime 532-nm perpendicular measurements show multi-Gaussian characteristics. We apply σ – based thresholds to detect cloud/aerosol features in the UT/LS from the subset L1 data. The observed morphology is similar to that from the Level 2 (L2) 05km_CLAY+05km_ALAY product, but the occurrence frequency obtained in this study is slightly lower than the L2 product due to differences in spatial averaging and detection threshold. In the case where the measurement noises of two data sets are different, the normalized PDF has proven useful for quantifying the day-night difference of the CALIOP backscatters, showing higher daytime cloud occurrence frequency in the tropical UT/LS. Other cloud/aerosol properties, such as depolarization ratio and color ratio, can be also evaluated with the PDF method.


2014 ◽  
Vol 7 (4) ◽  
pp. 4123-4161 ◽  
Author(s):  
S. Kox ◽  
L. Bugliaro ◽  
A. Ostler

Abstract. A novel approach for the detection of cirrus clouds and the retrieval of optical thickness and top altitude based on the measurements of the Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) aboard the geostationary Meteosat Second Generation (MSG) satellite is presented. Trained with 8 000 000 co-incident measurements of the Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP) aboard the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) mission the new "cirrus optical properties derived from CALIOP and SEVIRI algorithm during day and night" (COCS) algorithm utilizes a backpropagation neural network to provide accurate measurements of cirrus optical depth τ at λ =532 nm and top altitude z every 15 min covering almost one third of Earth's atmosphere. The retrieved values are validated with independent measurements of CALIOP and the optical thickness derived by an airborne high spectral resolution lidar.


2021 ◽  
Author(s):  
Marine Bretagnon ◽  
Séverine Alvain ◽  
Astrid Bracher ◽  
Philippe Garnesson ◽  
Svetlana losa ◽  
...  

<p>Copernicus marine environment monitoring service (CMEMS) gives users access to a wide range of ocean descriptors. Both physics and biogeochemistry of the marine environment can be studied with complementary source of data, such as in situ data, modelling output and satellite observations at global scale and/or for European marginal seas. Among the ocean descriptors supplied as part of CMEMS, phytoplankton functional types (PFTs) describe the phytoplanktonic composition at global level or over European marginal seas. Studied phytoplankton assemblage is particularly important as it is the basis of the marine food-web. Composition of the first trophic level is a valuable indicator to infer the structure of the ecosystem and its health. Over the last decades, ocean colour remote sensing has been used to estimate the phytoplanktonic composition. The algorithms developed to estimate PFTs composition based on ocean colour observation can be classified in three categories: the spectral approaches, the abundance-based approaches (derived from the chlorophyll concentration) and the ecological approaches. The three approaches can lead to differences or, conversely, to similar patterns. Difference and similarity in PFTs estimation from remote sensing is a useful information for data assimilation or model simulation, as it provides indications on the uncertainties/variability associated to the PFT estimates. Indeed, PFT estimates from satellite observations are increasingly assimilated into ecological models to improve biogeochemical simulations, what highlights the importance to get an index or at least information describing the validity range of such PFTs estimates.</p><p>In this study, four algorithms (two abundance-based, and two spectral approaches) are compared. The aim of this study is to compare the related PFT products spatially and temporally, and to study the agreement of their derived PFT phenology. This study proposes also to compare PFT algorithms developed for the global ocean with those developed for specific regions in order to assess the potential strength and weakness of the different approaches. Once similarities and discrepancies between the different approaches are assessed, this information could be used by model to give an interval of confidence in model simulation.</p>


2019 ◽  
Vol 11 (13) ◽  
pp. 1598 ◽  
Author(s):  
Hua Su ◽  
Xin Yang ◽  
Wenfang Lu ◽  
Xiao-Hai Yan

Retrieving multi-temporal and large-scale thermohaline structure information of the interior of the global ocean based on surface satellite observations is important for understanding the complex and multidimensional dynamic processes within the ocean. This study proposes a new ensemble learning algorithm, extreme gradient boosting (XGBoost), for retrieving subsurface thermohaline anomalies, including the subsurface temperature anomaly (STA) and the subsurface salinity anomaly (SSA), in the upper 2000 m of the global ocean. The model combines surface satellite observations and in situ Argo data for estimation, and uses root-mean-square error (RMSE), normalized root-mean-square error (NRMSE), and R2 as accuracy evaluations. The results show that the proposed XGBoost model can easily retrieve subsurface thermohaline anomalies and outperforms the gradient boosting decision tree (GBDT) model. The XGBoost model had good performance with average R2 values of 0.69 and 0.54, and average NRMSE values of 0.035 and 0.042, for STA and SSA estimations, respectively. The thermohaline anomaly patterns presented obvious seasonal variation signals in the upper layers (the upper 500 m); however, these signals became weaker as the depth increased. The model performance fluctuated, with the best performance in October (autumn) for both STA and SSA, and the lowest accuracy occurred in January (winter) for STA and April (spring) for SSA. The STA estimation error mainly occurred in the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) region in the upper ocean and the boundary of the ocean basins in the deeper ocean; meanwhile, the SSA estimation error presented a relatively even distribution. The wind speed anomalies, including the u and v components, contributed more to the XGBoost model for both STA and SSA estimations than the other surface parameters; however, its importance at deeper layers decreased and the contributions of the other parameters increased. This study provides an effective remote sensing technique for subsurface thermohaline estimations and further promotes long-term remote sensing reconstructions of internal ocean parameters.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document