Μέτρηση του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων στη Μεσόγειο με αλγόριθμους τηλεπισκόπησης ενός καναλιού από εικόνες METEOSAT-MVIRI και NOAA-AVHRR

Abstract

The present doctoral thesis addressed the problem of the single-channel aerosol optical depth (AOD) retrievals over the Mediterranean from Noaa-AVHRR and Meteosat-MVIRI data. The objectives of the research were: 1) The quantification of the measurement error in relation to the aerosol optical characteristics and 2) The determination of the precision of the corresponding algorithms via an analytical validation process with ground AOD measurements. For the realization of the research objectives, a series of ground measurements were performed with a sun-photometer installed in the region of Finokalia (Crete). The ground data were used both for the selection of representative aerosol models and for the creation of a reliable validation data set as well. An appropriate methodology based on radiative transfer simulations was developed for the quantification of the expected AOD error. An original algorithm was designed and implemented for AOD retrievals based on the AVHRR (ch. 1) data. At the same time, an algorithm for the MVIRI sensor which was originally developed by the laboratory LSCE/CEA (France) was appropriately modified. The results of the thesis showed that in the complex environment of the Mediterranean, the algorithms can ensure satisfactory measurement precision. For the MVIRI sensor, the mean AOD error was low (~10%) for the two types of particles that prevail in the region (water soluble particles from the marine environment and the urban centers and dust particles originating from the Sahara desert). The dependency of the AOD error on the geometry of observation and the respective AOD levels was quantified. Additionally, optimal observation geometries that minimize the expected error were identified for the MVIRI sensor. As regards the AVHRR sensor, it was concluded that the respective algorithm overestimates the AOD in the Eastern Mediterranean due to the incompatibility of the adopted reflectance model for Case-I waters. However, a good agreement with the corresponding AOD results from the MVIRI sensor was found for the central Mediterranean. The results of the research are expected to contribute in the following: a) Improvement of methodological tools essential for the design and the evaluation of similar algorithms b) Adaptation of existing algorithms so that they are applicable in the complex environment of the Mediterranean and c) Improvement of their final precision.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάστηκε στη διερεύνηση της καταλληλότητας των αλγορίθμων ενός καναλιού για τη μέτρηση του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων στη Μεσόγειο από δεδομένα των δορυφόρων NOAA και METEOSAT. Ο πρώτος στόχος της έρευνας ήταν να εκτιμηθεί ποσοτικά η σχέση μεταξύ του σφάλματος μέτρησης και των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων που απαντώνται στην περιοχή της Μεσογείου. Ο δεύτερος στόχος αφορούσε τον προσδιορισμό της ακρίβειας των αλγορίθμων μέσω μιας αναλυτικής διαδικασίας επικύρωσης με επίγειες μετρήσεις οπτικού βάθους. Τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούν βασική συνιστώσα της κλιματικής αλλαγής. Για το λόγο αυτό απαιτούνται συνεχείς παρατηρήσεις από δορυφόρους, δίκτυα επίγειων οργάνων μέτρησης και πειράματα πεδίου. Η μέτρηση του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων με τη βοήθεια δορυφορικών παρατηρήσεων συγκέντρωσε το επιστημονικό ενδιαφέρον από τα πρώτα χρόνια ανάπτυξης των δορυφορικών δεκτών. Παρά το γεγονός ότι πλειάδα νέων πολυκαναλικών αλγορίθμων έχουν δημιουργηθεί για το σκοπό αυτό, η έρευνα για τη βελτίωση των αλγορίθμων ενός καναλιού εξελίσσεται με σκοπό τη βελτίωση της ακρίβειάς τους. Για την επίτευξη των στόχων της έρευνας, πραγματοποιήθηκε σειρά μετρήσεων οπτικού βάθους με επίγειο φωτόμετρο εγκατεστημένο στην περιοχή της Φινοκαλιάς (Κρήτη). Τα επίγεια δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την επιλογή αντιπροσωπευτικών μοντέλων σωματιδίων για την περιοχή της Μεσογείου και αποτέλεσαν τη βάση για τη δημιουργία ενός αξιόπιστου συνόλου δεδομένων επικύρωσης. Παράλληλα αναπτύχθηκε κατάλληλη μεθοδολογία για την εκτίμηση του αναμενόμενου σφάλματος μέτρησης η οποία περιελάμβανε προσομοιώσεις του φυσικού συστήματος μέσω της θεωρία διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Αναπτύχθηκε επίσης πρωτότυπος αλγόριθμος για την ανάκτηση του οπτικού βάθους από εικόνες του δέκτη AVHRR. Tα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή των αλγορίθμων στα δορυφορικά δεδομένα, συγκρίθηκαν με τις επίγειες μετρήσεις οπτικού βάθους. Τα αποτελέσματα της διατριβής έδειξαν ότι στο σύνθετο περιβάλλον της Μεσογείου, οι αλγόριθμοι μέτρησης του οπτικού βάθους από δορυφορικές εικόνες των δεκτών AVHRR και MVIRI, μπορούν να εξασφαλίσουν ικανοποιητική ακρίβεια μέτρησης. Για τον δέκτη MVIRI, το μέσο σφάλμα μέτρησης εκτιμήθηκε σε 10% περίπου για τους δύο τύπους σωματιδίων που επικρατούν στην περιοχή της Μεσογείου (υδατοδιαλυτά σωματίδια που προέρχονται από το θαλάσσιο περιβάλλον και τα αστικά κέντρα και σωματίδια σκόνης από την έρημο Σαχάρα). Διαπιστώθηκε ακόμη ότι το σφάλμα μέτρησης εξαρτάται από τη γωνία σκέδασης και την τιμή του οπτικού βάθους και εντοπίστηκαν βέλτιστες γεωμετρίες παρατήρησης που ελαχιστοποιούν το αναμενόμενο σφάλμα. Ειδικά η χρονοθυρίδα 12:00 UTC του δορυφόρου Meteosat εκτιμήθηκε ως η ευνοϊκότερη για το σκοπό αυτό. Διαπιστώθηκε ακόμη ότι ο αλγόριθμος για τον δέκτη AVHRR υπερεκτιμά το οπτικό βάθος των υδατοδιαλυτών σωματιδίων στην περιοχή της ανατολικής Μεσογείου λόγω ασυμβατότητας του υιοθετούμενου μοντέλου ανακλαστικότητας (Case-I waters). Παρατηρήθηκε ωστόσο καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες τιμές από τον δέκτη MVIRI στην κεντρική Μεσόγειο. Τα αποτελέσματα της έρευνας αναμένεται να συμβάλλουν στα εξής: α) Βελτίωση των μεθοδολογικών εργαλείων απαραίτητων για το σχεδιασμό και την αξιολόγηση παρόμοιων αλγορίθμων β) Προσαρμογή των υπαρχόντων αλγορίθμων ώστε να είναι εφαρμόσιμοι στο σύνθετο περιβάλλον της Μεσογείου και γ) Βελτίωση της τελικής ακρίβειας των αλγορίθμων.