Μελέτη τροποσφαιρικών αερολυμάτων με επίγειες και δορυφορικές τεχνικές: ανάλυση μετρήσεων και στατιστική επεξεργασία

Abstract

The main objective of this thesis is the study of tropospheric aerosols with ground-based andspace-borne techniques, through statistical analysis of the retrieved aerosol optical properties.In the first chapter, we present the state of the art literature, concerning the sources and theoptical-microphysical properties of tropospheric aerosols, as well as their impact on the Earth'sclimate and human health. The second chapter deals with a general overview of the existinglidar [light detection and ranging] techniques, as well as the basic formulation governing thelidar systems implemented in this thesis [lidar backscatter, Raman lidar and lidardepolarization]. In the third chapter, we present the enhanced optical design [based onupgraded algorithms for Raman lidar system optimization and optical simulations with thededicated software Zemax©], of the optimized the Raman lidar NTUA’s system [EOLE]. Thegoal of this design, was the minimization of the distance of complete overlap, at ranges below1000 m a.s.l.. In addition, the newly acquired depolarization lidar [AIAS], is extensivelypresented. The fourth chapter focuses mainly on the depolarization lidar and is divided into 3parts. In the first part the sensitivity analysis of existing calibration techniques fordepolarization lidar systems, either with simulations and with real signals is presented. For theretrieval of the particle depolarization ratio, a dedicated algorithm was developed for theprocessing of the depolarization lidar signals [GUI-Matlab©]. Based on this algorithm, thesecond and the third part present the statistical analysis of the systems calibration constant andthe aerosol depolarization ratio, as those calculated from 2-year measurements with the AIASsystem [2011-2012], respectively.The fifth chapter presents the optical and microphysical properties of different aerosols[volcanic dust and desert dust], over Athens. For these episodes, a dedicated inversionalgorithm was applied [LIRIC], to retrieve the concentration of particles, giving more optionsto lidar systems to be used in calibration studies of numerical simulations of atmosphericmodels [FLEXPART, BSC/DREAM -8b]. Finally, the sixth chapter is focused on groundbased and space borne passive remote sensing techniques. In particular, we present 3-yearclimatology [2006-2008], of the aerosol optical depth, as retrieved by the ground based sunphotometer MFR, in Athens. Furthermore, we also present the percentage of transboundarypollution that contributes to the mean AOD value in Athens. Finally, we present a comparison,of approximately 740 time- coincident cases, of aerosol optical properties, as retrieved bysatellite sensor MODIS and a ground based sunphotometer, based on the passive remotesensing techniques.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των τροποσφαιρικώναερολυμάτων με επίγειες και δορυφορικές τεχνικές, μέσω ανάλυσης των μετρήσεων για τηνανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων και την στατιστική επεξεργασία τους. Στο πρώτο κεφάλαιοπαρουσιάζουμε την υπάρχουσα διεθνή βιβλιογραφία, σχετικά με τις πηγές-προέλευση και τιςοπτικές και μικροφυσικές ιδιότητες των τροποσφαιρικών αερολυμάτων, την επίδρασή τουςστο γήινο κλίμα και στην ανθρώπινη υγεία. Το δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται σε μιαγενικότερη επισκόπηση της τεχνικής lidar [light detection and ranging], καθώς επίσης και στιςβασικές εξισώσεις που διέπουν τα συστήματα lidar με τα οποία ασχοληθήκαμε στην παρούσαδιατριβή [lidar οπισθοσκέδασης, Raman lidar και lidar αποπόλωσης]. Στο τρίτο κεφάλαιο,παρουσιάζεται ο αναβαθμισμένος οπτικός σχεδιασμός [μέσω αναβαθμισμένων αλγορίθμωνελέγχου-βελτιστοποίησης συστημάτων Raman-lidar και οπτικών προσομοιώσεων με τολογισμικό οπτομηχανικού σχεδιασμού Zemax©], για τη βελτιστοποίηση του συστήματοςRaman-lidar του ΕΜΠ [EOLE]. Στόχος της σχεδίασης αυτής ήταν η ελαχιστοποίηση τηςαπόστασης πλήρους επικάλυψης του συστήματος σε αποστάσεις κάτω από τα 1000 m a.s.l.Επίσης παρουσιάζεται εκτενώς το νεοαποκτηθέν σύστημα lidar αποπόλωσης [AIAS] τουΤομέα Φυσικής. Το τέταρτο κεφάλαιο, επικεντρώνεται κυρίως στο lidar αποπόλωσης καιχωρίζεται σε 3 βασικά μέρη. Στο πρώτο, πραγματοποιείται η ανάλυση ευαισθησίας τωνυπαρχουσών τεχνικών βαθμονόμησης των συστημάτων lidar αποπόλωσης, με προσομοιώσεις,αλλά και με πειραματικά σήματα. Για την ανάκτηση του λόγου αποπόλωσης των σωματιδίων,αναπτύχθηκε ειδικός αλγόριθμος επεξεργασίας των σημάτων αποπόλωσης [γραφικόπεριβάλλον Matlab©] και με βάση αυτόν τον αλγόριθμο, στο δεύτερο και τρίτο μέροςπαρουσιάζεται η στατιστική επεξεργασία της σταθεράς βαθμονόμησης και του λόγουαποπόλωσης των σωματιδίων, όπως υπολογίσθηκαν από τα δύο χρόνια μετρήσεων τουσυστήματος AIAS [2011-2012], αντίστοιχα.Επιπλέον, στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι οπτικές και μικροφυσικές ιδιότητες σωματιδίων ηφαιστειακής τέφρας και σωματιδίων ερημικής σκόνης στην ατμόσφαιρα πάνωαπό την Αθήνα. Για τα επεισόδια αυτά, εφαρμόσθηκε ειδικός αλγόριθμος [LIRIC]αντιστροφής σημάτων lidar για την ανάκτηση και της συγκέντρωσης των σωματιδίων,δίνοντας πλέον τη δυνατότητα στα συστήματα lidar να χρησιμοποιούνται σε μελέτεςδιακρίβωσης αριθμητικών προσομοιώσεων ατμοσφαιρικών μοντέλων [FLEXPART,BSC/DREAM8b]. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο επικεντρώνεται σε επίγειες και δορυφορικέςτεχνικές παθητικής τηλεπισκόπησης. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η στατιστική ανάλυσηδεδομένων τριών ετών [2006-2008], του οπτικού πάχους των αιωρούμενων σωματιδίων, όπωςυπολογίσθηκε από το ηλιακό φωτόμετρο MFR, στην περιοχή της Αθήνας. Παρουσιάζεταιεπίσης, η συνεισφορά των διαφόρων πηγών σωματιδιακής ρύπανσης [ανά γεωγραφικήπεριοχή της Ευρώπης], στη μέση τιμή του οπτικού πάχους των σωματιδίων. Επίσης,πραγματοποιείται και μια σύγκριση 740 περίπου σύγχρονων χρονικά μετρήσεων τωνπροαναφερόμενων επίγειων δεδομένων με τα αντίστοιχα δορυφορικά δεδομένα παθητικήςτηλεπισκόπησης, όπως ανακτήθηκαν από τον δορυφορικό αισθητήρα MODIS. Στο έβδομοκεφάλαιο παρουσιάζονται τα βασικά συμπεράσματα της εργασίας αυτής.