Μελέτη των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεθόδους τηλεπισκόπησης laser

Abstract

The object of this Thesis is the study of the aerosol optical and microphysical properties derived by using remote sensing techniques. For this aim a lidar [= light detection and ranging] system is used which is located at the Laboratory of Atmospheric Physics [= LAP]. The motivation and the objectives of this thesis are given in the first chapter. The description of the system, the basic definitions of parameters and data analysis methods with which it deals this thesis constitute the second chapter. The experimental determination of overlap function is also presented in the frame of the second chapter. In the third chapter we present the statistical analysis of the lidar-derived aerosol optical properties observed at Thessaloniki from 2000 up to 2007. Concretely, we study extinction coefficient, backscatter coefficient, lidar ratio and Ångström exponent of aerosol particles. The mean optical depth for the period of study of is in the order of 0.6, while the contribution of particles of free troposphere in the total optical depth exhibits variability from 2% to 84%. We have found that optical depth presents two distinct maxima one during Spring time and one during Summer months. To investigate this seasonality, we have used additional synergistic tools such as DREAM model to identify the cases where aerosols from Saharan dust are observed and satellite data to identify those cases that biomass burning aerosols are observed. We have associated characteristics signatures for each source of aerosols using lidar ratio and Ångström exponent values. In the fourth chapter we used correlative measurements of the ground-based lidar system along with the lidar system CALIOP which is on-board in the satellite CALIPSO. The parameter which is compared is the total attenuated backscatter. We examine under which circumstances the two systems reveals the same vertical structure. We have demonstrated the difficulty of satellite instrument to retrieve the aerosol vertical structure during the day due to large solar background. The correlation coefficient between the satellite instrument and the ground instruments of EARLINET was found to be of the order of 0.9 for distances lower than 100 km. Optical and geometrical characteristics of cirrus clouds over Thessaloniki, Greece have been determined from the analysis of lidar and radiosonde measurements performed during the period from 2000 to 2006 in the frame of fifth chapter. Cirrus clouds are generally observed in a mid-altitude region ranging from 8.6 to 13 km, with mid-cloud temperatures in the range from -65°C to -38°C. The cloud thickness generally ranges from 1 to 5 km and 38% of the cases studied have thickness between 2 and 3 km. The retrieval of optical depth and lidar ratio of cirrus clouds is performed using three different methods, taking into account multiple scattering effect. The mean optical depth is found to be 0.31 ± 0.24 and the corresponding mean lidar ratio is 30 ± 17 sr following the scheme of Klett-Fernald method. Sub-visual, thin and opaque cirrus clouds are observed at 3%, 57% and 40% of the measured cases, respectively. A comparison of the results obtained between the three methods shows good agreement. The multiple scattering errors of the measured effective extinction coefficients range from 20 to 60%, depending on cloud optical depth. The temperature and thickness dependencies on optical properties have also been studied in detail. A maximum mid-cloud depth of ~3.5 km is found at temperatures around ~-47.5°C, while there is an indication that optical depth and mean extinction coefficient increases with increasing mid-cloud temperature. A correlation between optical depth and thickness was also found. In the sixth chapter the microphysical properties, that are effective radius, refractive index and single scattering albedo, of aerosols are retrieved during SCOUT-O₃ campaign. We present vertically resolved microphysical aerosol properties retrieved from the inversion of optical data that were obtained from a combined one-wavelength Raman/two-wavelength backscatter lidar system and a CIMEL sunphotometer. A number of assumptions were undertaken to overcome the limitations of the existing optical input data needed for the retrieval of microphysical properties. We found acceptable agreement with AERONET retrievals for the fine mode particle effective radius which ranged between 0.11 and 0.19 for the campaign period while for an accurate retrieval of the complex refractive index additional optical information is needed. It is shown that under complex layering of the aerosols general assumptions can provide unrealistic retrievals, especially in the presence of aged smoke aerosols. It was found that with this instrument setup the inversion algorithm can be applied successfully also for the complex refractive index of cases of vertically homogeneous layers of continental polluted aerosols. For these inversion cases the vertically resolved retrievals for the single scattering albedo showed values around 0.9 at 532 nm which were in very good agreement with results from airborne in-situ observations that were carried out near the lidar station. Finally, we present the basic conclusions which resulted from this thesis regarding to the climatology of aerosol particles, the evaluation of CALIOP instrument, the statistics of cirrus clouds, as well as the possibility of retrieving the microphysical properties of aerosols with the combinational use of a lidar system and CIMEL.

Αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη των οπτικών και φυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων με μεθόδους τηλεπισκόπησης laser. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα lidar [= light detection and ranging] το οποίο στεγάζεται στο Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας [= ΕΦΑ] και με το οποίο πραγματοποιούνται μετρήσεις από το 1997. Το κίνητρο και οι στόχοι της διατριβής αυτής αναπτύσσονται στο πρώτο κεφάλαιο το οποίο αποτελεί και την εισαγωγή. Η περιγραφή του συστήματος, η αρχή λειτουργίας του οργάνου και οι βασικοί ορισμοί των οπτικών και μικροφυσικών ιδιοτήτων αποτελούν το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής. Στο πλαίσιο αυτού του κεφαλαίου περιγράφεται η τεχνική αναβάθμιση του συστήματος lidar, καθώς επίσης και ο πειραματικός προσδιορισμός της συνάρτησης αλληλεπικάλυψης. Τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας των μετρήσεων των αιωρούμενων σωματιδίων που πραγματοποιήθηκαν από το 2000 μέχρι το 2007, στην περιοχή της Θεσσαλονίκης αποτελούν το αντικείμενο μελέτης του τρίτου κεφαλαίου. Συγκεκριμένα, μελετάμε τις βασικότερες οπτικές παραμέτρους, δηλαδή τον συντελεστή οπισθοσκέδασης, τον συντελεστή εξασθένησης, τον λόγο του συντελεστή εξασθένησης προς τον συντελεστή οπισθοσκέδασης καθώς και τον εκθέτη Ångström των αιωρούμενων σωματιδίων. Το μέσο οπτικό βάθος για την περίοδο μελέτης είναι της τάξης του 0.6, ενώ η συνεισφορά των σωματιδίων της ελεύθερης τροπόσφαιρας στο συνολικό φορτίο των σωματιδίων παρουσιάζει ιδιαίτερη μεταβλητότητα από 2% έως 84%. Στο πλαίσιο αυτού του κεφαλαίου βρέθηκε και ποσοτικοποιήθηκε η εποχιακή εξάρτηση των οπτικών ιδιοτήτων, με το οπτικό βάθος να εμφανίζει δύο διακριτά μέγιστα, ένα κατά την διάρκεια του Καλοκαιριού και ένα κατά την διάρκεια της Άνοιξης. Χρησιμοποιώντας ανάλυση οπισθοτροχιών των αέριων μαζών κατά συστάδες καθώς και συνεργιστικά εργαλεία όπως το προγνωστικό μοντέλο DREAM για πιθανή μεταφορά αιωρούμενων σωματιδίων από την έρημο Σαχάρα καθώς και δορυφορικά δεδομένα για την πιθανή μεταφορά των σωματιδίων καπνού από καύση βιομάζας στην περιοχή μας, κατηγοριοποιήθηκαν οι μετρήσεις με βάση την πιθανή πηγή προέλευσης των σωματιδίων. Τα μεγαλύτερα οπτικά βάθη παρατηρούνται σε περιπτώσεις μεταφοράς σωματιδίων καπνού καθώς επίσης και μεταφοράς σωματιδίων από την περιοχή της Σαχάρας. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια προσπάθεια για να δοθούν χαρακτηριστικές υπογραφές για κάθε τύπο αιωρούμενων σωματιδίων, συσχετίζοντας τις τιμές του λόγου lidar και του εκθέτη Ångström. Πολύ καλή αντισυσχέτιση βρέθηκε μεταξύ των δύο μεγεθών στην περίπτωση των σωματιδίων από την έρημο Σαχάρα και των σωματιδίων καπνού από καύση βιομάζας με τον συντελεστή συσχέτισης να παίρνει τιμές -0.6 και -0.8 αντίστοιχα. Για τα ρυπασμένα ηπειρωτικά σωματίδια καθώς και για ισχυρές συνθήκες ανάμιξης που σχετίζονται με ασθενείς ανέμους, οι τιμές των δύο μεγεθών εμφανίζονται με μεγάλη διακύμανση, ενώ τα καθαρά ηπειρωτικά σωματίδια εμφανίζονται μεγάλα με μικρούς λόγους lidar της τάξης του 30 sr. Χρησιμοποιώντας σύγχρονες μετρήσεις του επίγειου συστήματος lidar και τις μετρήσεις του οργάνου CALIOP του δορυφόρου CALIPSO για την περίοδο Ιούνιος 2006 – Ιούλιος 2007 αξιολογούμε τα αποτελέσματα του δορυφορικού συστήματος στο πλαίσιο του τέταρτου κεφαλαίου. Συγκεκριμένα, συγκρίθηκε ο ολικός συντελεστής εξασθενημένης οπισθοσκέδασης και εκτιμήθηκαν οι συνθήκες στις οποίες τα δύο συστήματα φαίνεται να καταγράφουν την ίδια κατακόρυφη δομή. Η σύγκριση των δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων κατέδειξε την δυσκολία του δορυφορικού συστήματος στην διαδικασία βαθμονόμησης κατά την διάρκεια της ημέρας λόγω του υψηλού ηλιακού υποβάθρου. Αντίθετα, κατά την διάρκεια των νυχτερινών μετρήσεων το δορυφορικό σύστημα lidar φαίνεται να είναι σε πολύ καλή συμφωνία για ύψη μεγαλύτερα από 6 km, ενώ για ύψη από 3 μέχρι τα 6 km, το δορυφορικό σύστημα υποεκτιμά κατά μέσο όρο κατά 30%. Ανεξαρτήτως των συστηματικών διαφορών μεταξύ των δύο οργάνων, ο συντελεστής συσχέτισης του συντελεστή οπισθοσκέδασης μεταξύ του δορυφορικού συστήματος lidar και των επίγειων συστημάτων του δικτύου EARLINET είναι της τάξης του 0.9 όταν το δορυφορικό ίχνος απέχει από τον εκάστοτε επίγειο σταθμό απόσταση ίση ή μικρότερη των 100 km, ενώ μειώνεται εκθετικά όσο η απόσταση αυτή αυξάνει. Μια ξεχωριστή κατηγορία αιωρούμενων σωματιδίων μπορούν να θεωρηθούν οι παγοκρύσταλλοι. Στο πέμπτο κεφάλαιο της διατριβής αυτής αναλύονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων των νεφών cirrus, τα οποία αποτελούνται από παγοκρύσταλλους. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το σύστημα Raman-lidar στην περιοχή της Θεσσαλονίκης για την περίοδο 2000 έως 2006. Πιο συγκεκριμένα, τα νέφη cirrus στην περιοχή μας εμφανίζονται σε ένα μέσο ύψος από 8.6 μέχρι 13 km, με αντίστοιχες μέσες θερμοκρασίες από -65°C έως -38°C. Το γεωμετρικό πάχος των νεφών κυμαίνεται από 1 έως 5 km, με το 38% των μετρήσεων να έχει γεωμετρικό πάχος μεταξύ 2 και 3 km. Επίσης οι οπτικές ιδιότητες των νεφών υπολογίσθηκαν με την χρήση τριών διαφορετικών μεθόδων και βρέθηκε ότι το οπτικό βάθος είναι της τάξης του 0.3 και ο μέσος λόγος lidar της τάξης του 30 sr. Τέλος, μελετήθηκε η εξάρτηση των οπτικών και γεωμετρικών χαρακτηριστικών με την θερμοκρασία και βρέθηκε ότι τα παχύτερα νέφη εμφανίζονται σε θερμοκρασίες από -50°C έως -45°C, ενώ παρουσιάζονται λεπτότερα και για χαμηλότερες και για υψηλότερες θερμοκρασίες. Επίσης, βρέθηκαν ενδείξεις ότι το οπτικό βάθος και ο μέσος συντελεστής εξασθένησης αυξάνεται με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας των νεφών. Πέραν των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων γίνεται προσπάθεια για την ανάκτηση των βασικότερων μικροφυσικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων, δηλαδή της ενεργού ακτίνας, του μιγαδικού δείκτη διάθλασης και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης για τα δεδομένα της εκστρατείας SCOUT-O₃ στο πλαίσιο του έκτου κεφαλαίου. Αναλυτικότερα, περιγράφεται το πρόβλημα της αναστροφής, η τεχνική κανονικοποίησης και παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθούμε προκειμένου να ανακτήσουμε τις μικροφυσικές ιδιότητες των αιωρούμενων σωματιδίων. Βρέθηκε ότι σε περιπτώσεις ομοιόμορφους κατανομής των αιωρούμενων σωματιδίων ανθρωπογενούς προέλευσης είναι δυνατή η ανάκτηση της κατακόρυφης δομής της ενεργού ακτίνας και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης. Τα αποτελέσματα που αφορούν την ενεργό ακτίνα συγκρίθηκαν με αυτά του δικτύου AERONET και βρέθηκε ότι η ενεργός ακτίνα των μικρών σωματιδίων είναι σε πολύ καλή συμφωνία, ενώ αυτά που αφορούν την ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα που προέκυψαν με in-situ που πραγματοποιήθηκαν πάνω σε ένα αεροπλάνο. Στο τέλος, συνοψίζονται τα βασικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή όσον αφορά την κλιματολογία των αιωρούμενων σωματίδιων, την αξιολόγηση του οργάνου CALIOP, την στατιστική των νεφών cirrus καθώς και την δυνατότητα ανάκτησης των μικροφυσικών ιδιοτήτων με την συνδυαστική χρήση των δεδομένων του συστήματος lidar και του φασματοφωτομέτρου CIMEL.