Μελέτη επεισοδίων αερολυμάτων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου με τη χρήση σύγχρονων δορυφορικών δεδομένων

Abstract

The main objective of the present PhD work was to describe the regime of aerosol episodes in the greater Mediterranean basin, during the 7-year period 2000-2007. To this aim, we studied the spatial and temporal features of their frequency of occurrence, intensity and duration, the role of atmospheric circulation favouring their occurrence, as well as the induced direct perturbation of the solar radiation budget. The identification/determination of aerosol episodes was achieved through the implementation of an objective and dynamic algorithm that has been set up in the frame work of the PhD. Based on this algorithm, the aerosol optical depth (AOD) threshold (cut-off) levels were defined and the aerosol episodes were classified, according to their intensity, to strong and extreme ones, as well in different main types, according to their nature, namely: (i) biomass-burning/urban-industrial episodes (BU), (ii) desert dust episodes (DD), (iii) sea-salt like episodes (SS-like), (iv) mixed aerosol episodes (MX) and (v) undetermined episodes (UN). As input data to the algorithm, daily measurements of aerosol optical properties were used, taken from satellite databases, on a gridded format at a spatial resolution of 1°x1° latitude-longitude. The utilized input optical properties are: AOD, Ångström exponent (α), Aerosol Index (AI), Fine Fraction (FF) and the mean effective radius (reff). These properties were taken from MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer)-Terra, EP-TOMS (Earth Probe-Total Ozone Mapping Spectrometer) and ΟΜΙ (Ozone Monitoring Instrument)-Aura.On an annual basis, strong aerosol episodes occur more frequently in the Western Mediterranean (up to 13.3 episodes/year) and less frequently in the E. Mediterranean (up to 2 episodes/year). The corresponding frequencies for the extreme episodes, which are smaller, are observed in the Central Mediterranean (up to 4 episodes/year) and in the northern parts of Balkan Peninsula (up to 0.3 episodes/year). The intensity of strong episodes (expressed in terms of AOD at 550nm, AOD550nm) varies between 0.43 to 1.5, while that of extreme episodes is stronger and ranges from 0.67 to 4.07. A common feature for the intensity of both strong and extreme episodes, is a gradual decrease from south to north, due to the weakening of strength of desert dust transport process. Most (> 85%) of strong and extreme episodes last one (1) day. As far as the seasonal variation of aerosol episodes is concerned, it is found that Mediterranean episodes occur more frequently in summer (W. Mediterranean) and spring (C. and E. Mediterranean) whilst their lowest frequencies are observed in winter (higher precipitation amounts). In terms of inter-annual variation, the frequency of aerosol episodes, was found to be reduced from 2000 to 2007, by up to 100%, while no significant trends were detected for their intensity.The largest fraction of strong, and particularly of extreme aerosol episodes is consisted of DD episodes (up to 71.5%), against a lowest contribution by BU episodes (only up to 1.5%). BU episodes occur more frequently in the northern parts of Balkan Peninsula (1 episode/year), DD episodes take place primarily in the W. Mediterranean (11.4 episodes/year), SS-like ones in the Iberian and Anatolian Peninsulas (3.9 episodes/year) whereas the most frequent MX episodes are observed in the western Mediterranean Sea (5 episodes/year). The highest intensity of BU episodes (AOD=1.2) is found in Po Valley (north Italy) while the strongest DD, SS-like and MX episodes are observed in the Gulf of Sidra and the Libyan Sea (up to 1.6). Nevertheless, the intensity of few specific extreme aerosol episodes can reach AOD values up to 5. The maximum frequency of BU episodes over the study period (2000-2007) was recorded in August 2003 (European heat wave). The frequency of DD episodes reveals a seasonal cycle, with maximum values during the dry period of the year (strong DD episodes) or in spring (extreme DD episodes). According to our analysis, the frequency of DD episodes is correlated with the North Atlantic Oscillation (NAO) in line with previous findings reporting on a link between NAO and desert dust burden in the Mediterranean basin. In addition, the pathways of air masses associated with extreme aerosol episodes in the Mediterranean were determined by computing backtrajectories with the HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) model. The results of the algorithm, concerning DD episodes, were successfully tested against accurate ground-based measurements of dust particulate matter (Dust PM10) and their optical properties (AERONET).The description of atmospheric circulation, in the lower troposphere of the broader Mediterranean basin, prevailing during aerosol episodes, has been also attempted as well as its role for the occurrence of the episodes. To this aim, criteria were applied in order to identify/select the days in which aerosol episodes occurred, and subsequently their atmospheric circulation patterns were classified objectively through the implementation of multivariate statistical methods, namely Factor Analysis (S-mode) and Cluster Analysis. Based on this methodology, 8 types of atmospheric circulation patterns were determined, and their characteristics, as well as the geographical distribution of their frequencies of occurrence, intensity and predominance of strong or extreme episodes, for each Cluster, were determined and described. A similar analysis was undertaken in order to describe the development of atmospheric circulation leading to desert dust outflows in the Mediterranean basin, and finally 6 types were determined. Finally, the direct perturbation of the solar radiation budget (direct radiative effect, DRE) of the Mediterranean basin, induced by aerosol episodes, has been also calculated for extreme episode and clear-sky conditions. Computations of DRE were made at the top of the atmosphere (TOA), in the atmosphere and at the surface (incoming and absorbed solar radiation) with the SBDART (Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer) radiation transfer model. During extreme DD episodes over sea areas, the Earth-atmosphere system is cooled by reflection of solar radiation amounts of up to 85 W/m2, the atmosphere is heated by absorbing extra solar radiation of 408 W/m2 at maximum, while the surface is cooled by receiving less solar radiation by 493 W/m2. The model computed heating rates of the region’s atmosphere during DD episodes, can be as large as 10 K/day, at 2.5 Km, potentially leading to significant modifications of atmospheric dynamics.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, μελετάται το καθεστώς των επεισοδίων αερολυμάτων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου, κατά την περίοδο 2000-2007. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται τα χωρικά και χρονικά χαρακτηριστικά της συχνότητας εμφάνισής τους, της έντασής τους και της διάρκειάς τους, ο ρόλος της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας που ευνοεί την εκδήλωσή τους, καθώς και η διαταραχή του ισοζυγίου της ηλιακής ακτινοβολίας που αυτά προκαλούν. Η ταυτοποίηση των επεισοδίων αερολυμάτων πραγματοποιείται με έναν αντικειμενικό και δυναμικό αλγόριθμο, ο οποίος αναπτύχθηκε στα πλαίσια της Διδακτορικής Διατριβής. Μέσω του αλγορίθμου, ορίζονται τα επίπεδα αποκοπής (threshold levels) και ταξινομούνται τα επεισόδια, με βάση την έντασή τους, σε ισχυρά και ακραία, καθώς και με βάση τον τύπο τους. Σε ό,τι αφορά στο δεύτερο διαχωρισμό, προέκυψαν οι εξής πέντε (5) τύποι επεισοδίων: (i) επεισόδια αερολυμάτων από αστικές/βιομηχανικές δραστηριότητες και καύση βιομάζας (Biomass Urban episodes, BU), (ii) επεισόδια αερολυμάτων ερημικής σκόνης (Desert Dust episodes, DD) (iii) επεισόδια αερολυμάτων θαλάσσιου τύπου (Sea-Salt-like episodes, SS-like), (iv) επεισόδια μίξης αερολυμάτων διαφορετικού τύπου (Mixed episodes, MX) και (v) επεισόδια τα οποία δεν κατατάσσονται σε κάποιον από τους προηγούμενους τύπους (Undetermined episodes, UN). Ως δεδομένα εισαγωγής στον αλγόριθμο χρησιμοποιούνται ημερήσιες δορυφορικές μετρήσεις, σε πλεγματική μορφή χωρικής ανάλυσης 1ox1o γεωγραφικού πλάτους και μήκους, για το οπτικό βάθος αερολυμάτων (Aerosol Optical Depth, AOD), τον εκθετικό παράγοντα Ångström (α) των αερολυμάτων, το δείκτη αερολυμάτων (Aerosol Index, ΑΙ), την αναλογία λεπτόκοκκων αερολυμάτων ως προς το σύνολό τους (Fine Fraction, FF) και τη μέση ενεργό ακτίνα (effective radius, reff). Τα δεδομένα αυτά ελήφθησαν από τους δορυφόρους MODIS (MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer)-Terra, EP-TOMS (Earth Probe-Total Ozone Mapping Spectrometer) και ΟΜΙ (Ozone Monitoring Instrument)-Aura.Σε ετήσια βάση, τα ισχυρά επεισόδια εκδηλώνονται περισσότερο συχνά (έως 13.3 επεισόδια/έτος) στη Δ. Μεσόγειο και λιγότερο συχνά στην Α. Μεσόγειο (έως 2 επεισόδια/έτος). Αντίθετα, τα ακραία επεισόδια εκδηλώνονται με μεγαλύτερη συχνότητα στην Κ. Μεσόγειο (4 επεισόδια/έτος), ενώ οι μικρότερες συχνότητες παρατηρούνται στα βόρεια τμήματα της Βαλκανικής Χερσονήσου (0.3 επεισόδια/έτος). Η ένταση των ισχυρών επεισοδίων (εκπεφρασμένη σε τιμές AOD στα 550nm) κυμαίνεται μεταξύ 0.43 και 1.5, ενώ η ένταση των ακραίων επεισοδίων είναι μεγαλύτερη και κυμαίνεται μεταξύ 0.67 και 4.07. Κοινό χαρακτηριστικό, αποτελεί η μείωση της έντασης των επεισοδίων προς τα βορειότερα γεωγραφικά πλάτη, κυρίως εξαιτίας της εξασθένησης του μηχανισμού μεταφοράς ερημικής σκόνης. Το μεγαλύτερο ποσοστό (> 85%) των ισχυρών και ακραίων επεισοδίων διαρκεί μία (1) ημέρα. Κατά τη διάρκεια του έτους, τα επεισόδια εκδηλώνονται με μεγαλύτερη συχνότητα τους καλοκαιρινούς (Δ. Μεσόγειος) και εαρινούς μήνες (Κ. και Α. Μεσόγειος), ενώ το αντίστροφο ισχύει για το χειμώνα (επίδραση της βροχόπτωσης). Η συχνότητα εμφάνισης των επεισοδίων, κατά την περίοδο 2000-2007, εμφανίζει πτωτικές τάσεις (έως 100%), ενώ δεν παρατηρούνται σημαντικές τάσεις μεταβολής της έντασής τους.Το μεγαλύτερο ποσοστό των ισχυρών και κυρίως των ακραίων επεισοδίων στην περιοχή απαρτίζεται από επεισόδια ερημικής σκόνης (έως 71.5%), ενώ τα μικρότερα ποσοστά καταγράφονται για τα BU επεισόδια (έως 1.5%). Η περισσότερο συχνή εμφάνιση των επεισοδίων παρατηρείται: για τα BU επεισόδια (έως 1 επεισόδιο/έτος) στα βόρεια τμήματα της Βαλκανικής Χερσονήσου, για τα DD επεισόδια στη Δ. Μεσόγειο (έως 11.4 επεισόδια/έτος), για τα SS-like επεισόδια στην Ιβηρική Χερσόνησο και στη Χερσόνησο της Ανατολίας (3.9 επεισόδια/έτος) και για τα ΜΧ επεισόδια στα δυτικά τμήματα της θάλασσας της Μεσογείου (5 επεισόδια/έτος). Η μεγαλύτερη ένταση των ισχυρών BU επεισοδίων σημειώνεται στην Κοιλάδα του Πάδου (1.2) στην Ιταλία, ενώ για τα DD, SS-like και ΜΧ επεισόδια στον Κόλπο της Σίδρας και στη θαλάσσια περιοχή της Λιβύης (έως 1.6). Σε μεμονωμένες περιπτώσεις η ένταση των ακραίων SS-like και ΜΧ επεισοδίων μπορεί να ανέλθει έως 5 (τιμές AOD στα 550nm). Η μέγιστη συχνότητα, σε μηνιαία και περιοχική κλίμακα, των ισχυρών BU επεισοδίων σημειώθηκε τον Αύγουστο του 2003 (0.13 επεισόδια/κυψελίδα). Η ανάλυση μας αναδεικνύει χαρακτηριστικά εποχικού κύκλου για τα ισχυρά και ακραία DD επεισόδια, με τις μέγιστες συχνότητες να σημειώνονται τη ξηρή περίοδο του έτους και την άνοιξη, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, προκύπτει συσχέτιση της συχνότητας εμφάνισης των DD επεισοδίων με την κύμανση του Βορείου Ατλαντικού (North Atlantic Oscillation, ΝΑΟ) που είναι σε συμφωνία με ευρήματα προηγούμενων μελετών που ανέφεραν συσχέτιση του φορτίου των ερημικών αερολυμάτων στη Μεσόγειο με το ΝΑΟ. Με την εφαρμογή του μοντέλου HYSPLIT (Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model) μελετήθηκαν οι τροχιές των αερίων μαζών, για μια περίοδο 5 ημερών πριν την εκδήλωση ακραίων επεισοδίων διαφορετικών τύπων. Τέλος, τα αποτελέσματα του αλγορίθμου, για τις περιπτώσεις DD επεισοδίων, αξιολογήθηκαν επιτυχώς έναντι επίγειων μετρήσεων συγκέντρωσης του σωματιδιακού φορτίου (Dust PM10) και οπτικών ιδιοτήτων (AERONET).Επιχειρήθηκε, επίσης, η περιγραφή της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας, στην κατώτερη τροπόσφαιρα, και ο ρόλος της στην εκδήλωση επεισοδίων στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου. Για το σκοπό αυτό, τέθηκαν κριτήρια επιλογής των ημερών μελέτης, για τις οποίες η ατμοσφαιρική κυκλοφορία ταξινομήθηκε αντικειμενικά, με την εφαρμογή πολυμεταβλητών στατιστικών μεθόδων, όπως αυτών της Παραγοντικής Ανάλυσης (Factor Analysis S-mode) και της Ανάλυσης κατά Συστάδες (Cluster Analysis). Από την εφαρμοσθείσα μεθοδολογία, προέκυψαν 8 τύποι ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας των οποίων τα χαρακτηριστικά περιγράφηκαν, ενώ προσδιορίστηκαν οι γεωγραφικές κατανομές της συχνότητας εμφάνισης των επεισοδίων, της έντασής τους και της επικράτησής τους (ισχυρά ή ακραία), για την κάθε Ομάδα (Cluster). Αντίστοιχη μελέτη πραγματοποιήθηκε και για την περιγραφή των τύπων ανάπτυξης της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας που οδηγούν στην πρόκληση επεισοδίων μεταφοράς ερημικής σκόνης, καταλήγοντας σε 6 Ομάδες. Τέλος, υπολογίστηκε η άμεση διαταραχή του ισοζυγίου της ακτινοβολίας (direct radiative effect, DRE) που προκαλείται από την εκδήλωση ακραίων επεισοδίων, διαφορετικού τύπου, υπό συνθήκες ανέφελου ουρανού. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν στην κορυφή της ατμόσφαιρας (TOA), στην ατμόσφαιρα (atmab) και στο έδαφος (surf, surfnet) με την εφαρμογή του μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας SBDART (Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer). Σε τοπικό επίπεδο, κατά την εκδήλωση ακραίων DD επεισοδίων πάνω από θάλασσα, το σύστημα Γης-ατμόσφαιρας ψύχεται ανακλώντας περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία κατά 85 W/m2, η ατμόσφαιρα θερμαίνεται απορροφώντας περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία κατά 408 W/m2, ενώ το έδαφος ψύχεται δεχόμενο λιγότερη ακτινοβολία κατά 493 W/m2. Επίσης, ο υπολογιζόμενος ρυθμός θέρμανσης της ατμόσφαιρας, λόγω των επεισοδίων DD, ανέρχεται σε έως και 10 Κ/day, στα 2.5 Km, επιφέροντας σημαντικές τροποποιήσεις στη δυναμική της.