Μελέτη των αλληλεπιδράσεων αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών πάνω από μεγάλα αστικά συσσωματώματα της ΝΑ Ασίας και πάνω από την Ανατολική Μεσόγειο

Abstract

The aim of this thesis was to investigate the interactions between particulate matter and clouds over large urban agglomerations in Southeast Asia and over East Mediterranean. It is organized in four chapters, each of which represents a different approach to examine the relations between particulate matter and clouds, over the study area.In Chapter 1, the relations between Aerosol Optical Depth (AOD), Cloud Cover (CC) and Cloud Top Pressure (CTP), under different Sea Level Pressure (SLP) and Water Vapor (WV) regimes, over three major urban clusters in China, were investigated, using remote sensing data from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) sensor. Over all urban clusters and for all SLP regimes, CC was found to increase with increasing AOD, pointing out that the CC dependence on AOD cannot be explained by synoptic covariation alone. In addition, WV was found to have a stronger impact on CC than AOD, which is more pronounced at high aerosol load. Hence, studies that investigate the AOD-CC relations and are based on satellite data will overestimate (underestimate) the AOD impact on CC in regions where AOD and WV have similar (opposite) seasonal variations.In Chapter 2, the aerosol-cloud relations over the same three urban clusters in China, under different WV conditions and cloud heights were investigated, using AOD, CC, WV, CTP and Cloud Optical Depth (COD) data from the MODIS sensor. Over all regions and for all seasons, CC was found to increase with increasing AOD, WV and cloud height. In addition, AOD, at low WV environments and under constant CTP, was found to have less impact on CC than at high WV environments. Furthermore, AOD was observed to have a varying influence on COD depending on CTP, while COD was found to increase with height for low and middle height clouds, and with increasing AOD, especially at low AOD regimes.In Chapter 3, the causal links between aerosols, water vapor and clouds were investigated, using the Convergent Cross Mapping (CCM) method, utilizing remote sensing data of AOD, WV, CC, COD, Cloud Effective Radius-Ice (CERI) and Cloud Effective Radius-Liquid (CERL) from MODIS sensor, over East Asia. The analysis showed that there is a bidirectional forcing between AOD, CC and COD which could be attributed to the invigoration effect of aerosols on clouds. In addition, it was found that there is a bidirectional forcing between AOD-WV and AOD-CERL, which could be attributed to the first indirect effect of aerosols on clouds, while there is no causality among AOD and CERI, probably because of strong coupling among aerosols and ice nuclei. Finally, based on the analysis, it was inferred that CCM method can effectively be used in all aerosol-cloud relations studies, searching for causality among the parameters.In Chapter 4, the annual and seasonal aerosol-cloud relations were investigated, under different WV conditions, over nine subregions of the Eastern Mediterranean region, utilizing remote sensing data of AOD, WV, CC, COD and CTP from MODIS sensor. In addition, anthropogenic AOD (AODanthr) and dust AOD (AODdust) data that were produced within the QUantifying the Aerosol Direct and Indirect Effect over Eastern Mediterranean (QUADIEEMS) research project were used as well. Over all regions, seasons and WV bins, CC was found to increase with increasing total, anthropogenic aerosol and dust loading, pointing towards the aerosol invigoration effect on clouds. For AOD<0.5, COD was found to increase with increasing AOD, while for AOD>0.5 to decrease or remain constant, irrespective of WV amount. In addition, over all regions and for all seasons, anthropogenic COD was observed to be larger than dust COD. CTP in spring and summer months was found to decrease with increasing AOD and CC, while in autumn and winter months and for high WV concentrations, CTP increased with increasing aerosol loading. Finally, clouds over land were found to be higher than clouds over the nearby sea.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να διερευνηθούν οι αλληλεπιδράσεις των αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών πάνω από μεγάλα αστικά συσσωματώματα της Νοτιοανατολικής Ασίας και πάνω από την περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Είναι οργανωμένη σε τέσσερα κεφάλαια, καθένα από τα οποία περιέχει μια διαφορετική προσέγγιση για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών, πάνω από την υπο-μελέτη περιοχή.Στο Κεφάλαιο 1, μελετήθηκαν οι σχέσεις μεταξύ του Οπτικού Βάθους Αερολυμάτων (AOD), της Νεφοκάλυψης (CC) και της Πίεσης στην Κορυφή του Νέφους (CTP), κάτω από διαφορετικές συνθήκες Πίεσης στην Επιφάνεια της Θάλασσας (SLP) και Υδρατμών (WV), πάνω από τρία μεγάλα αστικά συσσωματώματα της Κίνας, χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα από το Εικονοληπτικό Φασματοραδιόμετρο Μέσης Ανάλυσης (MODIS). Πάνω από όλες τις περιοχές και για όλες τις συνθήκες SLP, το CC βρέθηκε να αυξάνει για αυξανόμενο AOD, υποδεικνύοντας ότι η εξάρτηση του CC στο AOD δεν μπορεί να ερμηνευτεί μόνο λόγω συνδιακύμανσης των συνοπτικών συνθηκών. Επιπλέον, το WV βρέθηκε να έχει μεγαλύτερη επίδραση στο CC από ότι στο AOD, κυρίως σε περιβάλλοντα με αυξημένες συγκεντρώσεις αερολυμάτων. Για το λόγο αυτό, μελέτες που ερευνούν τις σχέσεις μεταξύ AOD-CC και βασίζονται σε δορυφορικά δεδομένα ενδέχεται να υπερεκτιμήσουν (υποεκτιμήσουν) την επίδραση του AOD στο CC, σε περιοχές όπου το AOD και το WV έχουν παρόμοιες (αντίθετες) εποχικές μεταβολές.Στο Κεφάλαιο 2, μελετήθηκαν οι σχέσεις μεταξύ των αερολυμάτων και των νεφών, πάνω από τις ίδιες περιοχές, όπως στο Κεφάλαιο 1, για διαφορετικές ποσότητες WV και για διαφορετικά ύψη νεφών, χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα AOD, CC, WV, CTP και Οπτικού Βάθους Νεφών (COD) από το όργανο MODIS. Πάνω από όλες τις περιοχές και για όλες τις εποχές, το CC βρέθηκε να αυξάνει για αυξανόμενο AOD, WV και ύψος νεφών. Επίσης, το οπτικό βάθος των αερολυμάτων σε περιβάλλοντα με χαμηλό WV και σταθερό CTP, βρέθηκε να έχει μικρότερη επίδραση στο CC, από ότι σε περιβάλλοντα με υψηλό WV. Επιπλέον, παρατηρήθηκε ότι η επίδραση του AOD στο COD μεταβάλλεται ανάλογα με το CTP, ενώ το COD, για αυξανόμενο AOD, βρέθηκε να αυξάνεται με το ύψος, για χαμηλά και μεσαίου ύψους νέφη, κυρίως σε συνθήκες χαμηλού AOD.Στο Κεφάλαιο 3, ερευνήθηκαν οι αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ αερολυμάτων, υδρατμών στην ατμόσφαιρα και νεφών, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της Συγκλίνουσας Σταυρωτής Απεικόνισης (CCM), σε συνδυασμό με δορυφορικά δεδομένα AOD, WV, CC, COD, Ενεργής Διαμέτρου Παγωμένων Σωματιδίων του Νέφους (CERI) και Ενεργής Διαμέτρου Υγρών Σωματιδίων του Νέφους (CERL) από τον αισθητήρα MODIS, πάνω από την περιοχή της Ανατολικής Ασίας. Η ανάλυση έδειξε ότι υπάρχει αμφίδρομη επίδραση μεταξύ AOD, CC και COD, η οποία μπορεί να αποδοθεί στην ενισχυτική επίδραση των αερολυμάτων στα νέφη. Επιπλέον, βρέθηκε αμφίδρομη επίδραση μεταξύ AOD-WV και AOD-CERL, που μπορεί να αποδοθεί στην πρώτη έμμεση επίδραση των αερολυμάτων στα νέφη, ενώ δεν βρέθηκε αιτιώδης σχέση μεταξύ AOD και CERI, πιθανώς λόγω της ισχυρής σύζευξης μεταξύ των αερολυμάτων και των παγωμένων σωματιδίων. Τέλος, με βάση την παραπάνω ανάλυση, εξάγεται το συμπέρασμα ότι η μέθοδος CCM, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε μελέτες που διερευνούν την αιτιότητα μεταξύ αερολυμάτων και παραμέτρων των νεφών.Στο Κεφάλαιο 4, διερευνήθηκαν οι ετήσιες και εποχικές σχέσεις μεταξύ των αερολυμάτων και των νεφών, για διαφορετικές συνθήκες WV, πάνω από εννέα υποπεριοχές της Ανατολικής Μεσογείου. Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα AOD, WV, CC, COD και CTP από τον αισθητήρα MODIS, μαζί με δεδομένα AOD από ανθρωπογενή αερολύματα (AODanthr) και AOD από σκόνη (AODdust), τα οποία παράχθηκαν στα πλαίσια του προγράμματος “Ποσοτικοποίηση της Άμεσης και Έμμεσης Επίδρασης των Αερολυμάτων Πάνω Από την Ανατολική Μεσόγειο” (QUADIEEMS). Πάνω από όλες τις περιοχές, για όλες τις εποχές και για όλα τα σύνολα WV, το CC βρέθηκε να αυξάνει για αυξανόμενη συγκέντρωση ολικών και ανθρωπογενών αερολυμάτων και σκόνης, υποδεικνύοντας την ενισχυτική επίδραση των αερολυμάτων στα νέφη. Για AOD<0,5, το COD βρέθηκε να αυξάνεται όσο αυξάνεται το AOD, ενώ για AOD>0,5 να μειώνεται ή να παραμένει σταθερό, ανεξάρτητα από το WV. Επιπλέον, πάνω από όλες τις περιοχές και για όλες τις εποχές, το COD λόγω ανθρωπογενών αερολυμάτων βρέθηκε να είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο λόγω σκόνης. Ακόμα, παρατηρήθηκε ότι το CTP κατά τη διάρκεια της άνοιξης και του καλοκαιριού μειώνεται όσο αυξάνεται το AOD και το CC, ενώ κατά τη διάρκεια του φθινοπώρου και του χειμώνα και για υψηλό WV να αυξάνεται. Τέλος, βρέθηκε ότι τα νέφη πάνω από τις ηπειρωτικές περιοχές βρίσκονται σε μεγαλύτερο ύψος από ότι πάνω από τις θαλάσσιες.