Multi-sensor characterization of aerosol optical properties, trends, and radiative effects from regional to global scales

Abstract

Human activities, primarily through rising emissions of greenhouse gases (ghgs), have led to a pronounced increase in global surface temperatures, with 2025 ranking as the second warmest year on record, exceeding the 1850 to 1950 average by more than 1.4 degrees celsius. In addition to atmospheric gases, the atmosphere contains liquid and solid suspended particles known as aerosols. Aerosols interact with solar radiation through scattering and absorption and can act as cloud condensation nuclei (ccn) or ice nuclei (in), thereby modifying cloud properties. In contrast to ghgs, aerosols partially offset global warming by exerting a net cooling effect on the earth–atmosphere system, while their climatic impact remains highly uncertain. These uncertainties mainly arise from the inaccurate representation of the strong spatiotemporal variability of aerosol optical properties, as well as from the use of non-representative aerosol parameters in radiative transfer models (rtms), such as aerosol optical depth (aod), single scattering albedo (ssa), and the asymmetry parameter (g). Within this framework, this phd research combines multi-sensor satellite and ground-based observations, radiative transfer simulations, and reanalysis products to address three main objectives: improving the representation of aerosol optical properties, with a focus on desert dust, quantifying the impact of refined aerosol properties on the radiative balance, and assessing the long-term evolution and trends of aod at regional and global scales. The first part of the research focuses on characterizing tropospheric aerosols over the north africa, middle east, and europe region using caliop observations for the period 2007 to 2020. In the second part, aerosol-speciated lidar ratios from the delian database are implemented in caliop backscatter profiles to refine caliop aod retrievals. The improved caliop-based aod, together with updated spectral aerosol properties derived from aeronet observations, is used as input to a radiative transfer model, while the simulated radiative fluxes are evaluated against surface downwelling radiation from bsrn measurements and top-of-atmosphere upwelling radiation from ceres observations. The most substantial improvements are found under pure dust conditions, highlighting the importance of integrating ground-based, passive, and active remote sensing observations to better constrain dust lidar ratio over major desert regions. To further enhance dust lidar ratio mapping, caliop observations are combined with passive sensors from the a-train satellite constellation, exploiting caliop depolarization sensitivity and complementary passive retrievals. Beyond aerosol characterization, understanding the temporal evolution of aerosol burden is essential for climate assessments. In this context, the final part of this research examines long-term aod variability and trends using copernicus atmosphere monitoring service reanalysis products, which are evaluated against aeronet observations, while global and regional trends over the past two decades are analyzed, revealing strong spatiotemporal heterogeneity. Overall, this work provides improved observational and modelling constraints on aerosol optical properties, radiative effects, and long-term variability, contributing to reduced uncertainties in aerosol climate forcing estimates.

Οι ανθρώπινες δραστηριότητες, κυρίως μέσω της αυξανόμενης εκπομπής αερίων του θερμοκηπίου (ghgs), έχουν οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης, με το 2025 να κατατάσσεται ως το δεύτερο θερμότερο έτος που έχει καταγραφεί, υπερβαίνοντας τον μέσο όρο της περιόδου 1850 έως 1950 κατά περισσότερο από 1,4 βαθμούς κελσίου. Εκτός από τα ατμοσφαιρικά αέρια, η ατμόσφαιρα περιέχει αιωρούμενα υγρά και στερεά σωματίδια, γνωστά ως αερολύματα. Τα αερολύματα αλληλεπιδρούν με την ηλιακή ακτινοβολία μέσω σκέδασης και απορρόφησης, ενώ μπορούν να λειτουργήσουν ως πυρήνες συμπύκνωσης νεφών (ccn) ή παγοποίησης (in), επηρεάζοντας τις ιδιότητες των νεφών. σε αντίθεση με τα ghgs, τα αερολύματα αντισταθμίζουν εν μέρει την παγκόσμια θέρμανση, έχοντας συνολικά ψυκτική επίδραση στο σύστημα γης–ατμόσφαιρας, με τον κλιματικό τους ρόλο παρ’ όλα αυτά να παραμένει ιδιαίτερα αβέβαιος. Οι αβεβαιότητες αυτές οφείλονται κυρίως στην ανεπαρκή αναπαράσταση της έντονης χωροχρονικής μεταβλητότητας των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων, καθώς και στη χρήση μη αντιπροσωπευτικών παραμέτρων στα μοντέλα μεταφοράς ακτινοβολίας (rtms), όπως το οπτικό βάθος αερολυμάτων (aod), την ανακλαστικότητα μεμονωμένης σκέδασης (ssa) και τον παράγοντα ασυμμετρίας (g). Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική έρευνα συνδυάζει δορυφορικές και επίγειες παρατηρήσεις, προσομοιώσεις μεταφοράς ακτινοβολίας και προϊόντα μοντέλων, με τρεις κύριους στόχους: τη βελτίωση της αναπαράστασης των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων, με έμφαση στην ερημική σκόνη, την ποσοτικοποίηση της επίδρασής τους στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας και την αξιολόγηση της μακροχρόνιας εξέλιξης και των τάσεων του aod σε περιοχική και παγκόσμια κλίμακα. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώνεται στον χαρακτηρισμό των τροποσφαιρικών αερολυμάτων στην περιοχή βόρειας αφρικής, μέσης ανατολής και ευρώπης με χρήση παρατηρήσεων caliop για την περίοδο 2007 έως 2020. στη συνέχεια, λόγοι lidar ανά τύπο αερολύματος από τη βάση delian εφαρμόζονται στα προφίλ οπισθοσκέδασης του caliop, βελτιώνοντας τα προϊόντα aod. το αναβαθμισμένο aod, σε συνδυασμό με φασματικές ιδιότητες από το δίκτυο aeronet, χρησιμοποιείται ως είσοδος σε rtm, ενώ οι ροές ακτινοβολίας αξιολογούνται μέσω συγκρίσεων με μετρήσεις bsrn στην επιφάνεια και ceres στην κορυφή της ατμόσφαιρας. Οι σημαντικότερες βελτιώσεις παρατηρούνται υπό συνθήκες καθαρής σκόνης, αναδεικνύοντας τη σημασία του συνδυασμού ενεργών και παθητικών τηλεπισκοπικών παρατηρήσεων. Πέρα από τον χαρακτηρισμό των αερολυμάτων, η κατανόηση των τάσεων του φορτίου αερολυμάτων είναι κρίσιμη για τις κλιματικές εκτιμήσεις. Στο πλαίσιο αυτό, η έρευνα εξετάζει τη μακροχρόνια μεταβλητότητα και τις τάσεις του aod μέσω προϊόντων του μοντέλου cams, τα οποία αξιολογούνται έναντι παρατηρήσεων aeronet, ενώ αναλύονται οι παγκόσμιες και περιοχικές τάσεις των τελευταίων δύο δεκαετιών, αποκαλύπτοντας έντονη χωροχρονική ετερογένεια. Συνολικά, η παρούσα εργασία παρέχει βελτιώσεις στις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων, στις ακτινοβολιακές τους επιδράσεις και στη μακροχρόνια μεταβλητότητά τους, συμβάλλοντας στη μείωση των αβεβαιοτήτων στις εκτιμήσεις της κλιματικής επίδρασης των αερολυμάτων.