Estimates of the vertical distribution of desert dust and conden-sation nuclei over the Mediterranean, with the synergistic use of active and passive remote sensing techniques

Abstract

The overarching goal of this thesis is to fill existing gaps in our understanding on the role of desert dust in climatic parameters over the Mediterranean by using advanced remote sensing methods and synergies. In line with this, desert dust was discriminated from total aerosol observations provided by modern space-based remote sensors. The 3-dimentional distribution of the mineral dust loads over the Mediterranean and North Africa was investigated in order to provide critical input for the radiative impact from natural sources. Finally, dust-related climatologies of ice nucleating particle concentrations were produced to study the impact of desert dust on cloud formation.Our approach involves the utilization of passive and active remote sensing synergies, placing emphasis on the essential vertically-resolved aerosol information provided by the Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) mission. First, a pure dust product is derived from CALIPSO measurements, following sophisticated methodologies developed in the framework of the European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET). The discrimination of dust from other aerosol types uses the profiles of backscatter coefficient and depolarization ratio of CALIPSO, along with ground-based measurements and methods from EARLINET. The pure dust product is evaluated against measurements from the AErosol RObotic NETwork (AERONET) and compared with observations from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and vertical profiles of the BSC-DREAM8b model (Barcelona Supercomputer Center - Dust Regional Atmospheric Model). Progressing further, the dust product is used to provide a 3D multiyear analysis on the evolution of Saharan dust over North Africa and Europe, based on a nine-year CALIPSO dataset (2007-2015). The results reveal the 3D dust evolution and the seasonal patterns of dust over its transportation paths from the Sahara towards the Mediterranean and Continental Europe. The product has found various application regarding synergies with passive sensors but also in the domain of model/satellite evaluation. Three application examples are presented, concerning (a) the optimization of dust transport model representations in order to understand the severe dust storm over the Middle East and the Eastern Mediterranean in 2015, (b) the development of advanced methodologies for aerosol typing from space contributing on the attempts to discriminate anthropogenic from natural aerosols, and (c) the evaluation of different dust parameterizations in order to represent the dust cycle in regional climate models. Finally, the dust product is used to retrieve dust-related Ice Nuclei concentration vertical distributions over the Mediterranean. This result provides a unique opportunity to identify the gaps in our knowledge regarding heterogeneous ice formation when combined with cloud observations in the future.

Ο πρωταρχικός στόχος αυτής της εργασίας είναι να καλύψει υπάρχοντα κενά στην αντίληψή μας σχετικά με το ρόλο της ερημικής σκόνης στις κλιματικές παραμέτρους της Μεσογείου χρησιμοποιώντας προηγμένες μεθόδους τηλεπισκόπησης. Αρχικά, η ερημική σκόνη διαχωρίζεται από τα συνολικά αερολύματα που παρέχονται από σύγχρονους δορυφορικούς αισθητήρες τηλεπισκόπησης. Το προϊόν σκόνης που παράγεται χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη της τρισδιάστατης κατανομής του φόρτου της σκόνης πάνω από τη Μεσόγειο και τη Βόρεια Αφρική, η οποία είναι πολύ σημαντική για την επίδραση της σκόνης στην ηλιακή ακτινοβολία. Τέλος, αναπτύσσουμε κλιματολογίες των συγκεντρώσεων της σκόνης που ενεργούν ως πυρήνες παγoποίησης, για τη μελέτη της επίδρασης της σκόνης στο σχηματισμό νεφών.Η μεθοδολογία μας περιλαμβάνει τη συνέργεια παθητικών και ενεργών μετρήσεων τηλεπισκόπησης, με έμφαση στις κατακόρυφες μετρήσεις των αερολυμάτων που παρέχονται από το δορυφορικό lidar του CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations). Αρχικά, αναπτύσσουμε ένα νέο προϊόν σκόνης χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις του CALIPSO, βασιζόμενοι σε μεθοδολογίες που έχουν αναπτυχθεί στο πλαίσιο του Ευρωπαικού επίγειου δικτύου lidar EARLINET (AErosol RObotic NETwork). Ο διαχωρισμός της σκό-νης από τους άλλους τύπους αερολυμάτων γίνεται χρησιμοποιώντας τα προφίλ του συντελεστή οπισθοσκέδασης και του λόγου αποπόλωσης του CALIPSO, καθώς και τις μετρήσεις και τις μεθόδους του EARLINET. Το προϊόν αξιολογείται με μετρήσεις από το δίκτυο AERONET (AEr-osol RObotic NETwork) και συγκρίνεται με δορυφορικές παρατηρήσεις από το MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) και με κατακόρυφα προφίλ από το μοντέλο BSC-DREAM8b (Barcelona Supercomputer Center - Dust Regional Atmospheric Model). Το νέο προϊόν σκόνης χρησιμοποιείται για την παραγωγή μιας τρισδιάστατης κλιματολογίας της εξέλιξης της Σαχαριανής σκόνης πάνω από την Βόρεια Αφρική και την Ευρώπη, χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές παρατηρήσεις του CALIPSO από το 2007 έως το 2015. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την τρισδιάστατη εξέλιξη της σκόνης και τις εποχιακές διαδρομές της μεταφοράς της από τη Σαχάρα προς τη Μεσόγειο και την ηπειρωτική Ευρώπη. Το νέο προϊόν σκόνης είναι ελεύθερα διαθέσημο (κατόπιν αιτήσεως αλλά και από διάφορες ιστοσελίδες) και έχει ήδη χρησιμοποιηθεί από την παγκόσμια μετεωρολογική οργάνωση, την ευρωπαϊκή υπηρεσία διαστήματος και από συνεργάτες ερευνητές για την αξιολόγηση 3 μοντέλων μεταφοράς σκόνης, νέων προϊόντων από δορυφόρους πολικής και γεωστατικής τροχιάς και για την μελέτη της επίδρασης της σκόνης στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας. Εδώ παρουσιάζονται τρία παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών, με πρώτο (α) τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων ενός μοντέλου μεταφοράς σκόνης προκειμένου να περιγραφεί η καταιγίδα σκόνης στη Μέση Ανατο-λή και την Ανατολική Μεσόγειο συνέβει το 2015, β) την κατηγοριοποίηση αερολυμάτων από το διάστημα με σκοπό τον διαχωρισμό των αερολυμάτων ανθρωπογενούς και φυσικής προέλευσης και (γ) την αξιολόγηση διαφορετικών παραμετροποιήσεων σκόνης σε περιφερειακά κλιματικά μοντέλα. Τέλος, ανακτώνται οι κατακόρυφες κατανομές συγκέντρωσης πυρήνων παγοποίησης στην περιοχή της μελέτης. Αυτό το αποτέλεσμα παρέχει μια μοναδική ευκαιρία για μελλοντική έρευνα πάνω στον ετερογενή σχηματισμού του πάγου, χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις νεφών.