Τηλεπισκόπηση της ατμόσφαιρας με χρήση πηγών laser και δορυφορικών δεκτών: Πειράματα και υπολογιστικές προσομοιώσεις: Εφαρμογή στα αιωρούμενα σωματίδια, το όζον και τους υδρατμούς και επίδραση τους στην κλιματικη αλλαγή στην περιοχή της ΝΑ Μεσογείου

Abstract

The object of this Ph.D. Thesis is the study of the aerosol optical properties and the retrieval of the vertical profiles of water vapor mixing ratio derived with lidar [light detection and ranging] methods. The lidar observations were performed in Athens, Greece. In the second, the third and the forth chapter of the Thesis the instrumentation and the data analysis methods for the retrieval of the aerosol optical properties and water vapour profiles are described. Intercomparisons that took place within the European projects EARLINET and EARLINET-ASOS [European Aerosol Research Lidar NETwork] in hardware and software level are also presented. These intercomparison experiments were performed to produce a high-quality standard for the data originating from different systems within the network. In the fifth chapter we present a study of the planetary boundary layer [PBL] over Athens for the years 2003-2008. In the sixth chapter we examine special cases where longrange transport events of aerosols in the free-troposphere over Athens took place during the period 2006-2008. Especially, for the case of a biomass burning event, an inversion code was used for the retrieval of the aerosol microphysical properties and the model ISORROPIA II for the estimation of the chemical composition of the smoke aerosols. It is demonstrated that the combined use of the estimated single scattering albedo and the measured lidar ratio of aerosols leads to a better characterization of the aerosol type probed. In the final chapter we present validation results of the aerosol retrievals obtained from the space-borne lidar CALIOP -onboard the CALIPSO satellite-, using coincident observations performed with the ground-based Raman-lidar system in Athens.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων και η ανάκτηση της κατακόρυφης κατανομής των υδρατμών με τη χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης lidar [light detection and ranging] στην περιοχή του Λεκανοπεδίου Αθηνών. Στο δεύτερο, τρίτο και τέταρτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται το σύστημα Raman-lidar του Εργαστηρίου Ανάπτυξης Laser και Εφαρμογών του ΕΜΠ και αναλύονται οι μέθοδοι υπολογισμού των κατακόρυφων κατανομών των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων και των ατμοσφαιρικών υδρατμών. Παρουσιάζονται, επίσης, όλες οι συγκρίσεις σε επίπεδο συστημάτων και αλγορίθμων που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού προγράμματος EARLINET και EARLINET-ASOS [European Aerosol Research Lidar NETwork], όπου επιβεβαιώθηκε η ακρίβεια των μετρήσεων και των υπολογισμών που διενεργούνται με το σύστημα Raman-lidar του ΕΜΠ. Στο πέμπτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η μελέτη του ατμοσφαιρικού ΑΟΣ στην περιοχή της Αθήνας για τα έτη 2003-2008, ενώ στο έκτο μέρος επικεντρωνόμαστε στην ανάλυση επιλεγμένων επεισοδίων σωματιδιακής ρύπανσης στην ελεύθερη τροπόσφαιρα της Αθήνας που καταγράφηκαν με το σύστημα Raman-lidar του ΕΜΠ [αλλά και με άλλες συνεργετικές τεχνικές] κατά την χρονική περίοδο 2006-2008. Ιδιαίτερα, για την περίπτωση σωματιδίων από καύση βιομάζας παρουσιάζεται η διαδικασία εκτίμησης της χημικής σύστασής τους, μέσω της ανάκτησης των μικροφυσικών ιδιοτήτων από τα οπτικά δεδομένα που ανακτήθηκαν από τις μετρήσεις Raman-lidar. Ο πειραματικός προσδιορισμός του λόγου lidar και της ανακλαστικότητας μεμονωμένης σκέδασης είναι κρίσιμος για την ερμηνεία των επιπέδων της ακτινοβολίας στο έδαφος, ιδιαίτερα σε περιοχές όπου έχουμε μεταβλητότητα στο φορτίο της σωματιδιακής ρύπανσης, όπως είναι η περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Στο τελευταίο μέρος της διατριβής γίνεται η βαθμονόμηση και η αξιολόγηση των δεδομένων lidar του δορυφορικού συστήματος CALIPSO με χρήση των κοινών επίγειων μετρήσεων με το σύστημα Raman-lidar του ΕΜΠ.