[論文レビュー] Toward Cloud Tomography from Space using MISR and MODIS: The Physics of Image Formation for Opaque Convective Clouds

Anthony B. Davis, Linda Forster+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Atmospheric aerosols and clouds参考文献 46被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、多角度（MISR）および多スペクトル（MODIS）衛星データを用いた3次元雲トモグラフィーのための物理ベースのフレームワークを提案する。雲画像形成を、方向空間（外側のシェル）における角度拡散と3次元ユークリッド空間（隠れたコア）における空間的拡散の2つの密接に結びついた放射エネルギー拡散過程としてモデル化する。主な貢献は、隠れたコアの光学的厚さが雲スケールの明るさコントラストを制御することを示し、拡散近似がコア内での前方モデル化を簡略化しても顕著な精度損失なしに可能であることを示したことである。これにより、より高速かつ高精度な雲トモグラフィーが実現可能となる。

ABSTRACT

3D convective cloud images form via two intertwined radiative diffusion processes. Sunlight starts in the anti-solar direction and ends in toward-sensor ones, but repeated forward-peaked scattering smears the well-collimated beams across_direction_ space. This loss of directional memory in the cloud's "outer shell" (OS) is modeled as a random walk (RW) on the sphere. We show that, for typical cloud phase functions, 5 or 6 scatterings suffice for severe degrading of directionality. Simultaneously, a RW unfolds in_standard_ 3D space where steps are angularly-correlated, hence a drift in the original direction and an associated lateral dispersion. Any distinctive cloud image "feature" originates in the OS, and the shallower the better. That is also why we previously found that the optical depth of the "veiled core" (VC) is ~5. Significant amounts of sunlight thus arrive at the VC as a diffuse irradiance, and leave it even more isotropic. The diffusion limit of 3D radiative transfer (RT) is therefore valid inside the VC. Consequently, the underlying RW in the VC unfolds in 3D space, now with isotropic steps since extinction is scaled back to account for forward scattering. We show that the VC optical thickness controls cloud-scale brightness contrast between the illuminated and self-shaded sides of the cloud. Full cloud image formation thus involves diffusions (i.e., RWs) in both Euclidian and spherical/direction spaces. 3D cloud tomography based on MISR and MODIS multi-angle/-spectral data is an emerging technique in passive VNIR-SWIR sensing that will make judicious use this spatial separation of RT regimes to accelerate forward modeling without significant loss in accuracy.

研究の動機と目的

• 3次元的に濃い積乱雲が宇宙からどのように可視画像を形成するかを理解する上で、1次元放射移動仮定の制限に起因する重要なギャップを解消すること。
• 「隠れたコア」（VC）を、地上観測放射輝度に与える影響が構造的変化に起因して無視できる、センサーのノイズレベル以下の領域として特定・定義すること。
• 拡散近似が、散乱の等方的特性のおかげで、VC内で有効であることを示し、雲トモグラフィーにおける前方モデル化の簡略化を可能にすること。
• 外側シェルと隠れたコアにおける放射移動の領域的分離を活用することで、より効率的かつ高精度な3次元雲トモグラフィーを実現すること。
• 将来的なMISRおよびMODISデータを用いた雲トモグラフィー逆問題の物理的基盤を構築し、MODISのSWIRチャンネルの統合による微物理的感度の向上を想定すること。

提案手法

• 外側シェル（OS）を球面上のランダムウォークとしてモデル化し、繰り返し前方ピーク散乱が太陽光の方向的記憶を著しく損なう。これにより、重度の角度的ぼやけが5〜6回の散乱で達成される。
• 隠れたコア（VC）を、等方的ステップを持つ3次元ランダムウォークとしてモデル化する。これは、前方散乱を補正するための減衰係数のスケーリングが行われているため有効であり、拡散近似が適用可能となる。
• 相反性を用いてセンサーから雲内への逆方向光伝播をモデル化し、前向きおよび後向きの光路が重なる領域では、3次元RTの完全な計算が不要になることを示した。
• VCを、雲内構造の変化が放射輝度に与える影響がセンサーのノイズレベル以下に留まる領域として経験的に定義し、これによりVC内でのCTの目的は平均減衰係数のみに限定される。
• VC内での前方モデル化を拡散近似を用いて簡略化することで、計算コストを著しく削減しつつも、雲トモグラフィー逆問題における精度を維持することを提案する。
• MISRの多角度VNIRデータ（275 m解像度）を、MODISのSWIRチャンネルの潜在的利用を組み合わせることで、雲ドロップレット体積および微物理的性質への感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 方向空間および3次元空間における放射エネルギー拡散プロセスが、どのように3次元雲画像の形成を支配するか？
• RQ2 光学的に濃い積乱雲において、外側シェルと隠れたコアの境界を決定づける物理的条件は何か？
• RQ3 雲トモグラフィーにおける精度を損なわずに、拡散近似を隠れたコア内でどの程度適用できるか？
• RQ4 隠れたコアの光学的厚さが、雲の日光照射面と自己遮光面の明るさコントラストをどのように制御するか？
• RQ5 MISRおよびMODISの多角度および多スペクトルデータを用いて、異なる放射移動の支配領域を活用することで、雲トモグラフィーにおける前方モデル化の高速化が可能か？

主な発見

• 外側シェル（OS）は、繰り返し前方ピーク散乱によって、わずか5〜6回の散乱で太陽光の方向的記憶が著しく劣化する放射エネルギー境界層として機能する。
• 隠れたコア（VC）は、雲内構造の変化が地上観測放射輝度に与える影響が無視できる領域として定義され、その閾値はセンサーのノイズレベルに設定されている。
• VCの光学的厚さが、日光照射面と自己遮光面の雲スケール明るさコントラストを制御しており、光学的厚さが大きいほどコントラストが顕著になる。
• 減衰係数のスケーリングに起因する等方的散乱のおかげで、VC内では拡散近似が有効であり、前方モデル化の大幅な簡略化が可能となる。
• 入射日光のおよそ1/3がVCを完全に回避しており、これにより直接的または近接するバックスキャッタリングを通じて日光照射面に強い画像特徴が形成される。
• MODISのSWIRチャンネルの導入により、長波長域でVCのサイズが拡大すると予想され、雲の微物理的性質への感度が向上し、将来的なCT逆問題の実現に貢献する。