Abstract Characterization of aerosol vertical distribution in the planetary boundary layer (PBL) using passive remote sensing requires advances in the current state of the art. To quantify the performance of various passive sensor designs within a common framework we developed an aerosol climatology of the Los Angeles basin and applied observing system simulation experiments (OSSEs) to estimate the information content retrievable from a variety of sensors measuring reflected near-infrared solar radiation. In addition to simulating current and planned satellite sensors, we also characterize the sensitivity of the California Laboratory for Atmospheric Remote Sensing – Fourier Transform Spectrometer (CLARS-FTS), located at Mt. Wilson (1.67 km above sea level), which is utilized in this work as a testbed for aerosol profiling remote sensing. We estimate the impacts of spectral coverage, radiance and polarization, spectral resolution, signal to noise ratio (SNR), and number of viewing angles on the information content and retrieval uncertainties of aerosol profiles in the PBL. We found that by adding high spectral resolution (full-width half-maximum of 3 cm−1 or better), polarimetric measurements with a SNR of at least 212 to radiance measurements with SNR of 300 for both O2 A and 1∆ bands, the degrees of freedom for signal (DOFS) of a single CLARS-FTS measurement is raised from 2.1 to 2.8. This improvement is sufficient to simultaneously quantify three key parameters: aerosol optical depth, aerosol peak height, and aerosol layer thickness in the PBL. Current satellite-borne instruments (OCO-2, OCO-3, TEMPO, TROPOMI, and EPIC) and planned instruments (TEMPO, MicroCarb, SPEXone, and MAIA), individually provide a DOFS ≤ 2.25, which is insufficient to simultaneously quantify all three aerosol profiling parameters in the PBL. Joint radiometric and polarimetric measurements of the O2 A and B bands with 3 cm−1 spectral resolution, SNR of 500 for radiance and 353 for polarization, acquired at three viewing angles, can provide sufficient sensitivity to retrieve the three aerosol parameters simultaneously. The inclusion of high spectral resolution radiometric and polarimetric measurements reduces the required number of viewing angles, which is advantageous when the multiangular data are acquired with a pointable instrument. In this case a larger number of viewing angles reduces the spatial coverage that can be achieved for a given target.

中文翻译：

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在 O2 近红外波段使用辐射测量和偏振光谱测量进行气溶胶分析：信息内容和测量不确定性的估计

摘要 使用被动遥感表征行星边界层 (PBL) 中的气溶胶垂直分布需要在当前技术水平上取得进展。为了在一个共同的框架内量化各种无源传感器设计的性能，我们开发了洛杉矶盆地的气溶胶气候学，并应用观测系统模拟实验 (OSSE) 来估计从测量反射近红外太阳辐射的各种传感器可检索的信息内容. 除了模拟当前和计划中的卫星传感器外，我们还描述了位于 Mt. 的加利福尼亚大气遥感实验室 - 傅立叶变换光谱仪 (CLARS-FTS) 的灵敏度。Wilson（海拔 1.67 公里），在这项工作中用作气溶胶剖面遥感的试验台。我们估计了光谱覆盖、辐射和偏振、光谱分辨率、信噪比 (SNR) 和视角数量对 PBL 中气溶胶剖面的信息内容和检索不确定性的影响。我们发现，通过增加高光谱分辨率（全宽半最大值为 3 cm−1 或更好）、SNR 至少为 212 的极化测量到 O2 A 和 1Δ 波段的 SNR 为 300 的辐射测量，单个 CLARS-FTS 测量的信号自由度 (DOFS) 从 2.1 提高到 2.8。这种改进足以同时量化三个关键参数：气溶胶光学深度、气溶胶峰值高度和 PBL 中的气溶胶层厚度。当前的星载仪器（OCO-2、OCO-3、TEMPO、TROPOMI 和 EPIC）和计划中的仪器（TEMPO、MicroCarb、SPEXone、和 MAIA），单独提供 DOFS ≤ 2.25，这不足以同时量化 PBL 中的所有三个气溶胶分析参数。O2 A 和 B 波段的联合辐射测量和偏振测量，光谱分辨率为 3 cm-1，辐射 SNR 为 500，偏振 SNR 为 353，在三个视角获得，可以提供足够的灵敏度来同时检索三个气溶胶参数。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。这不足以同时量化 PBL 中的所有三个气溶胶分析参数。O2 A 和 B 波段的联合辐射测量和偏振测量，光谱分辨率为 3 cm-1，辐射 SNR 为 500，偏振 SNR 为 353，在三个视角获得，可以提供足够的灵敏度来同时检索三个气溶胶参数。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。这不足以同时量化 PBL 中的所有三个气溶胶分析参数。O2 A 和 B 波段的联合辐射测量和偏振测量，光谱分辨率为 3 cm-1，辐射 SNR 为 500，偏振 SNR 为 353，在三个视角获得，可以提供足够的灵敏度来同时检索三个气溶胶参数。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。O2 A 和 B 波段的联合辐射测量和偏振测量，光谱分辨率为 3 cm-1，辐射 SNR 为 500，偏振 SNR 为 353，在三个视角获得，可以提供足够的灵敏度来同时检索三个气溶胶参数。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。O2 A 和 B 波段的联合辐射测量和偏振测量，光谱分辨率为 3 cm-1，辐射 SNR 为 500，偏振 SNR 为 353，在三个视角获得，可以提供足够的灵敏度来同时检索三个气溶胶参数。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。包含高光谱分辨率辐射测量和偏振测量减少了所需的视角数量，这在使用可指向的仪器采集多角度数据时是有利的。在这种情况下，较大数量的视角会减少给定目标所能达到的空间覆盖范围。