Study of Atmospheric Boundary Layer dynamics in coastal areas, using active remote sensing methods

Abstract

This study investigates the characteristics of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) in marine environments using active remote sensing measurements and radiosondes. PollyXT Raman Lidar and Halo Wind Doppler Lidar observations were utilized to retrieve the ABL height and its diurnal evolution, while radiosonde profiles of temperature, humidity, and wind provided information about the vertical structure of the lower troposphere and atmospheric dynamics. Various methods, namely the Wavelet Covariance Transform, gradient, parcel, Richardson, and threshold methods, were applied and assessed across different atmospheric variables. Among these, WCT proved the most effective and optimal for detecting the complexities of profiles with multiple aerosol layers. The study focuses on two locations: Finokalia on the island of Crete, Greece, where the PreTECT Campaign was conducted in April 2017, and Mindelo on São Vicente island, Cabo Verde, during the ASKOS Campaign in 2021-2022. In both regions, the ABL displayed Marine Atmospheric Boundary Layer (MABL) characteristics with minimal sharp daytime evolution. In Finokalia, a coastal site with complex terrain, the dynamics presented significant variability under different meteorological conditions. A comparison of measured ABL heights with ECMWF model outputs for two neighboring land and sea model bins revealed systematic discrepancies. These were attributed to the coarse resolution of the model, surface roughness transitions, and horizontal advection effects. In Cabo Verde, ground-based observations capture an ABL height of approximately 600 m, which is in good agreement with the results from statistical analysis of ECMWF data for September 2022. CALIPSO satellite observations from CALIOP, a space-borne lidar, provided additional information for the ABL in a broader domain over the Atlantic. A 10-year dataset of CALIPSO and ECMWF data for cloud-free conditions in the open ocean yielded a consistent ABL top height of approximately 700 m. However, over the transition zone between the eastern Atlantic and the western African continent, significant discrepancies were observed between the model and the satellite measurements. These differences likely arise from the reduced reliability of ECMWF’s Richardson-based method under weak stratification or coarse vertical resolution, the CALIPSO’s limited sensitivity near the desert surface, and the model uncertainties related to the lack of surface observations and aerosol–radiation interactions. Finally, detailed analysis of selected cases in Mindelo, Cabo Verde, explored the interaction between thermodynamic stability and boundary layer characteristics. Impact of marine and desert dust aerosols on the dynamics and structure of the MABL is investigated in this region.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τα χαρακτηριστικά του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΑΟΣ) σε θαλάσσια περιβάλλοντα με τη χρήση μεθόδων ενεργητικής τηλεπισκόπησης. Διερευνώνται τα εξής θέματα: (α) ποια είναι η πιο αξιόπιστη και βέλτιστη χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης για την εύρεση του ύψους του ΑΟΣ, (β) ποια είναι τα χαρακτηριστικά του ΑΟΣ στις περιοχές μελέτης και (γ) ποια είναι η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων (σκόνη και θαλάσσια σωματίδια) στην ανάπτυξη του ΑΟΣ. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις επίγειου και δορυφορικού συστήματος lidar, καθώς και δεδομένα ραδιοβολίσεων για την αξιολόγηση των νέων μεθόδων. Τα θαλάσσια περιβάλλοντα παρουσιάζουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ως προς τον άνεμο, την ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων, τη δημιουργία νεφών και κατ’επέκταση το σχηματισμό του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος. Όταν επιπρόσθετα υπάρχουν υψηλές συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων διαφορετικού τύπου, όπως ερημική σκόνη, τα χαρακτηριστικά του οριακού στρώματος είναι ιδιαίτερα και ο εντοπισμός του ύψους της κορυφής του πιο δύσκολος. Για τους σκοπούς της διατριβής, συλλέχθηκαν και αναλύθηκαν δεδομένα από δύο περιοχές: Τη Φινοκαλιά Κρήτης στη Μεσόγειο, και το νησί Sao Vincente, στον Ατλαντικό Ωκεανό. Η Φινοκαλιά, βρίσκεται στα βόρεια παράλια της ανατολικής Κρήτης κι επηρεάζεται από τις Ετησίες, τους έντονους βόρειους ανέμους που οφείλονται στην αλληλεπίδραση ενός χαμηλού και ενός υψηλού βαρομετρικού συστήματος στην ανατολική Μεσόγειο που αλληλοεπιδρούν. Εκεί πραγματοποιήθηκε η πειραματική εκστρατεία «PreTECT» τον Απρίλιο του 2017. Η ιδιαίτερη τοπογραφία της Φινοκαλιάς σε συνδυασμό με το πολύπλοκο πεδίο ανέμων, σχηματίζουν ένα ενδιαφέρον πεδίο μελέτης για τη δομή του οριακού στρώματος. Το Sao Vincente στο Πράσινο Ακρωτήρι, είναι ένα μικρό νησί 227 τετραγωνικών χιλιομέτρων, που βρίσκεται στον Ατλαντικό και απέχει 920 χιλιόμετρα από την ακτή της δυτικής Αφρικής. Στην περιοχή αυτή, πραγματοποιήθηκε η πειραματική εκστρατεία «ASKOS» κατά τη διάρκεια των ετών 2021-2022, με εντατικές μετρήσεις τους μήνες Ιούνιο και Σεπτέμβριο. Το νησί επηρεάζεται από έντονη μεταφορά αφρικανικής σκόνης από την έρημο Σαχάρα, ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζεται από το θαλάσσιο περιβάλλον με υψηλή υγρασία και ύπαρξη θαλάσσιων σωματιδίων στα χαμηλότερα στρώματα. Η εύρεση του ύψους του ΑΟΣ πραγματοποιήθηκε με διάφορες μεθόδους που εφαρμόστηκαν στις κατακόρυφες κατανομές του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532nm και 1064nm και στο προϊόν αναλογίας μίγματος υδρατμών (water vapor mixing ratio) του συστήματος PollyXT Raman Lidar, καθώς και στις κατακόρυφες κατανομές του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 1500nm και στο προϊόν του ρυθμού διακύμανσης τυρβώδους κινητικής ενέργειας (Turbulence Kinetic Energy dissipation rate) του συστήματος Halo Wind Doppler Lidar, στην κατακόρυφη κατανομή του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532nm του δορυφορικού συστήματος Lidar CALIOP του δορυφόρου CALIPSO και τέλος στις κατακόρυφες κατανομές της υγρασίας και θερμοκρασίας των ραδιοβολίσεων. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκαν: η μέθοδος μετασχηματισμού κυματιδιακής συνδιακύμανσης (wavelet covariance transform), η μέθοδος βαθμίδας (gradient method), η μέθοδος κατωφλίου (threshold method), η μέθοδος πακέτου αέρα (parcel method), και τέλος η μέθοδος Richardson. Η παραπάνω μελέτη του ΑΟΣ ανέδειξε πως και στις δύο περιοχές,τα ύψη του οριακού στρώματος ήταν χαμηλά με μικρή ημερήσια διακύμανση. Στη Φινοκαλιά Κρήτης, η διεύθυνση του ανέμου διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο για το ύψος του οριακού στρώματος: ο δυτικός άνεμος, προερχόμενος από την ξηρά, συνεισφέρει στη δημιουργία ενός χαμηλού οριακού στρώματος που φτάνει τα 600 m, ενώ ο βόρειος άνεμος, προερχόμενος από τη θάλασσα και προσήνεμος στην ψηλή και βραχώδη πλευρά του νησιού, ευνοεί τη δημιουργία ενός ψηλού οριακού στρώματος που φτάνει το 1 km. Επιπλέον πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων και τα ευρήματα από τις μετρήσεις διασταυρώθηκαν με τα αποτελέσματα του μοντέλου IFS/ECMWF. Στο Πράσινο Ακρωτήρι, η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων για το Σεπτέμβριο του 2022, ανέδειξε το ΑΟΣ της περιοχής στο ύψος των 600 m περίπου, παρουσιάζοντας καλή συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων του μοντέλου και των επίγειων μετρήσεων. Από την ερμηνεία των δεδομένων του δορυφορικού lidar πάνω από το νησί Sao Vincente αλλά και στην ευρύτερη περιοχή του Ατλαντικού, το μέσο ύψος του οριακού στρώματος προέκυψε επίσης γύρω στα700 m, όντας σε καλή συμφωνία με το μοντέλο. Για τη μελέτη του ΑΟΣ στην ευρύτερη περιοχή, αναλύθηκαν 10 έτη δεδομένων lidar CALIPSO και μοντέλου ECMWF (2012-2022), αξιοποιώντας μόνο το μήνα Σεπτέμβριο από κάθε έτος. Αξίζει να σημειωθεί πως για το ύψος του οριακού στρώματος, παρατηρήθηκαν μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ δορυφορικού Lidar και ECMWF στη δυτική Αφρική σε σχέση με εντός του Ατλαντικού Ωκεανού. Τέλος, στη διατριβή αναλύονται λεπτομερώς περιπτώσεις μελέτης στο Πράσινο Ακρωτήρι, διερευνώντας τις διαφορετικές περιπτώσεις θερμοδυναμικής ευστάθειας, αλλά και την ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων θάλασσας και σκόνης, αξιοποιώντας όλες τις διαθέσιμες μετρήσεις επίγειου και δορυφορικού lidar, ραδιοβολίσεων καθώς και αποτελεσμάτων του μοντέλου.