Study of surface solar radiation with the use of satellite and ground-based observations and climate model simulations

Abstract

The ultimate aim of this thesis is to highlight the importance of the combined use of ground and satellite-based observations with climate model and radiative transfer simulations in surface solar radiation (SSR) studies. Chapter 1, where general information about solar radiation is given and the motivations of the thesis are discussed, is followed by a chapter presenting three short case studies. All these studies make use of satellite data from the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) in order to highlight the importance of ISCCP for regional climate studies. In Chapter 3, following the discussion in the latest report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) on SSR and the observed dimming and brightening effect, a detailed assessment of the ability of a regional climate model (RegCM4) to simulate SSR over Europe is presented. This research incorporates satellite-based observations from the Meteosat satellites, climate model simulations and sensitivity tests with a radiative transfer model. The importance of accurate SSR simulations from climate models is highlighted. While, in Europe, there is a relatively dense network of ground stations recording SSR, this is not the case for the climatically sensitive region of Eastern Mediterranean. Chapter 4 of this thesis aims at filling the gap by presenting a high resolution satellite view of the SSR levels over this region for the 31-year period 1983-2013. The spatiotemporal variability and the trends of SSR are studied along with the sensitivity of satellite products to parameters related to clouds, aerosols and water vapor. For the needs of this research various satellite products are used in conjunction with ground data and radiative transfer simulations. Finally, in Chapter 5, a review of the main findings of this thesis is presented.

Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να αναδείξει τη σημασία της συνδυασμένης χρήσης επίγειων και δορυφορικών παρατηρήσεων με προσομοιώσεις από κλιματικά μοντέλα και μοντέλα διάδοσης ακτινοβολίας στη μελέτη της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης. Το πρώτο κεφάλαιο, όπου δίδονται γενικές πληροφορίες για την ηλιακή ακτινοβολία και παρουσιάζονται τα κίνητρα της έρευνας που περιγράφεται στην παρούσα διατριβή, ακολουθείται από ένα κεφάλαιο που περιλαμβάνει τρεις σύντομες μελέτες περίπτωσης. Σε αυτές τις μελέτες γίνεται χρήση δεδομένων από το International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) με σκοπό την ανάδειξη της σημασίας του προγράμματος ISCCP για κλιματικές μελέτες περιοχικής κλίμακας. Στο τρίτο κεφάλαιο, λαμβάνοντας υπόψη τη συζήτηση που περιλαμβάνεται στην τελευταία έκθεση της Διακυβερνητικής Επιτροπής για την Αλλαγή του Κλίματος (IPCC) για την ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης, παρουσιάζεται μια αναλυτική μελέτη της ικανότητας ενός περιοχικού κλιματικού μοντέλου (RegCM4) να προσομοιώνει τα επίπεδα της προσπίπτουσας στο έδαφος ηλιακής ακτινοβολίας στην Ευρώπη. Αυτή η μελέτη περιλαμβάνει παρατηρήσεις από τους δορυφόρους Meteosat, προσομοιώσεις από περιοχικό κλιματικό μοντέλο και προσομοιώσεις με μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας. Στο κεφάλαιο αυτό υπογραμμίζεται η σημασία της ακριβούς προσομοίωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος από τα κλιματικά μοντέλα. Ενώ η Ευρώπη καλύπτεται από ένα σχετικά πυκνό δίκτυο επίγειων σταθμών που καταγράφουν τα επίπεδα της ηλιακής ακτινοβολίας δεν ισχύει το ίδιο για την κλιματικά ευαίσθητη περιοχή της Ανατολικής Μεσογείου. Στο τέταρτο κεφάλαιο αυτής της διατριβής επιχειρείται η κάλυψη αυτού του κενού καθώς παρουσιάζεται μια μελέτη των επιπέδων της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος σε υψηλή χωρική ανάλυση για την περίοδο 1983-2013 με τη χρήση δορυφορικών παρατηρήσεων. Η χωροχρονική μεταβολή και οι τάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας μελετούνται μαζί με την ευαισθησία των δορυφορικών προϊόντων σε παραμέτρους που σχετίζονται με τα νέφη, τα αιωρούμενα σωματίδια και τους υδρατμούς. Για τις ανάγκες αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκε μια σειρά από δορυφορικά προϊόντα σε συνδυασμό με επίγειες παρατηρήσεις και πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις με μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των κυριότερων αποτελεσμάτων στο πέμπτο κεφάλαιο.