Der Karlsruher optimierte und genaue Strahlungstransport-Algorithmus KOPRA
| Der Karlsruher optimierte und genaue Strahlungstransport-Algorithmus KOPRA
Zusammenfassung |
 |
Der Karlsruher optimierte und genaue Strahlungstransport-Algorithmus KOPRA ist ein FORTRAN90 Computercode zur Modellierung des atmosphärischen Strahlungstransports im spektralen Bereich des mittleren Infrarots. Er wurde als eigenständiger Algorithmus entwickelt, der alle wesentlichen physikalischen Effekte, die von der Troposphäre bis zur Thermosphäre im Strahlungstransport auftreten, berücksichtigt. Außerdem wird die instrumentelle Antwortfunktion des MIPAS/ENVISAT Experiments (neben anderen, weiter verbreiteten) modelliert. Die Motivation, ein neues Strahlungstransportmodell neben den bereits existierenden, guten Modellen zu entwickeln, sowie die Anforderungen an das spezielle Design dieses Modells, die durch die MIPAS-Mission definiert werden, werden in Teil I des vorliegenden Handbuches erläutert. In Teil II stellen wir den Algorithmus in physikalischer Formulierung zusammen, auf dem KOPRA basiert, um einen Überblick zu liefern, welche physikalischen Aspekte in KOPRA eingeschlossen sind. In den weiteren Teilen (III bis X) werden die Lösungsansätze und ihre Realisierung für die wesentlichen Problemstellungen in den Unterpunkten der Strahlungstransportmodellierung dargestellt. Im einzelnen sind dies die Erstellung des geophysikalischen Modells und der Schichteinteilung der Atmosphäre, die Modellierung des gekrümmten Sehstrahls durch die Atmosphäre, die Berechnung der Absorptionskoeffizienten auf einem optimierten Frequenzgitter, die Behandlung von ''line-mixing'', die Berücksichtigung der Absorption und Emission durch schwere Moleküle, die Berücksichtigung von Absorptions-, Extinktions- und Emissions-Kontinua durch gasförmige und feste Teilchen in der Atmosphäre, und die Integration der Strahlungstransportgleichung längs des Sehstrahls durch die Atmosphäre einschließlich der Berücksichtigung des Effektes durch das Zusammenbrechen des lokalen thermodynamischen Gleichgewichts (NLTE). Jedem Unterpunkt wurde ein eigener Teil des Berichts zugestanden, in dem das Problem, angefangen beim physikalischen Algorithmus, bis hin zur Realisierung, Codierung und Datenstruktur erläutert wird. In jedem Teil von KOPRA wurden Optimierungen im Konzept und/oder der Codierung verwendet, solange sie nicht auf Kosten der Genauigkeit oder der Flexibilität von KOPRA gehen, um die Eignung von KOPRA auch in einem Auswertewerkzeug für eine grosse Datenmenge und in einem automatisierten Auswerteansatz zu gewährleisten. Diese Optimierungen werden beschrieben wo immer sie erscheinen. Weiterhin werden in Teil XI zwei umfangreichere Optimierungen, nämlich die Modellierung der Voigt-Funktion mit Hilfe eines beschleunigten Humlicek-Algorithmus, und die optimierte Auswertung der Planck-Funktion beschrieben. Teil XII beschreibt die Modellierung der instrumentellen Antwortfunktion hinsichtlich der (apodisierten) instrumentellen Linienform und des Effekts des endlichen Gesichtsfelds, und zwar beides sowohl für die Anwendung auf das MIPAS/ENVISAT Instrument mit seinem außergewöhnlichen Design als auch für Instrumente mit Standard-Design.
Die folgenden Teile befassen sich mit verschiedenen Erweiterungen und Zusätzen zum reinen Strahlungstransport-Algorithmus und mit Analysen der Leistungsfähigkeit von KOPRA. Teil XIII beschreibt die Umsetzung der Berechnung von quasi-analytischen Ableitungen nach relevanten Parametern simultan mit der Strahlungstransportrechnung, sowie die Schnittstelle zu einem Inversionsalgorithmus zur Ableitung geophysikalischer und instrumenteller Parameter aus den Spektren. In Teil XIV wird die optimierte Auswahl von Genauigkeitsparametern, die vom Benutzer definiert werden können, hinsichtlich Genauigkeit und Rechenzeit untersucht. Eine ausführliche Validierungsstudie gegen das wohlbekannte und zuverlässige RFM (Reference Forward Model) der Universität Oxford wird in Teil XV beschrieben. Die Auswirkung der besonderen, nicht in anderen Modellen verfügbaren Modellierungsmöglichkeiten von KOPRA auf die Reduzierung des zu erwartenden Ableitungsfehlers wurde in einer Studie untersucht, die schließlich zu einer a posteriori Rechtfertigung führte, welche atmosphärischen Effekte in KOPRA modelliert werden sollten. Diese Studie ist in Teil XVI beschrieben. Die Teile XVII bis XIX erläutern die Architektur von KOPRA, seine Installation, und enthalten Listen von benötigten Eingabedateien sowie seiner Module, Unterprogramme und der wichtigsten Variablen. Im letzten Teil, Teil XX, wird die graphische Benutzerschnittstelle ''kopragui'' beschrieben, die das Erstellen von Eingabe-Dateien, die Überprüfung, Modifikation und graphische Ausgabe von Vertikalprofilen von Eingabedaten, den Start von KOPRA-Läufen und die graphische Ausgabe von erzeugten Spektren erlaubt.