Optical and geometrical properties of clouds and aerosols using ground-based and satellite remote sensing techniques

Abstract

This PhD thesis aims to study the geometrical and optical properties of cirrus clouds and aerosols through ground-based measurements with LIDAR remote sensing methods (light detection and ranging). As part of this research, an automatic detection algorithm of defining cloud boundaries is developed and applied to the Laboratory of Atmosperic Physics in Thessaloniki and certified within EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). One part of the study focuses on the analysis of the optical and geometrical characteristics of cirrus clouds over different geographical parts of the world and the comparison with collocated cloud radar retrievals. The object is (i) firstly to provide cirrus geometrical and optical properties in different hemispheres, based on ground-based lidar data and (ii) secondly to attribute any observable differences of cirrus properties to the subarctic and subtropical counterparts. Moreover, the differences in the measured depolarization ratio values inside the cirrus layers are examined in terms of ice crystal shapes. This variability is also, examined incorrelation with temperature dependencies and optical depth. Our aim is to define a classification scheme of ice particles into different shape categories, based on lidar depolarization ratios, in order to be further applied on operation albasis on the cirrus classification algorithms on satellite missions. The other part of the study is focused on the comparison and improvement of the two algorithms, developed within EARLINET for the automated aerosol type characterization of the aerosol layers derived from Raman lidar measurements over the EARLINET station of Thessaloniki, Greece. Our aim is: (i) to check the performance of both supervised learning techniques, when applied to lidar datafrom Thessaloniki station where, typically, variable mixtures of aerosols arepresent and (ii) to investigate the reasons of typing agreement and disagreement with respect to the uncertainties and the threshold criteria applied. A third part is dedicated to check the consistency of the climatology of the aerosol profiles based on the Single Calculus Chain and the EARLINET database data respectively, in order to adopt in our lidar station the SCC algorithm for operational processing in the future, without introducing in homogeneities in the existing time series.

Αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη των γεωμετρικών και οπτικών ιδιοτήτων των νεφών και των αιωρούμενων σωματιδίων μέσα από επίγειες και δορυφορικές μετρήσεις με τη μέθοδο τηλεπισκόπησης lidar. Στα πλαίσια του διδακτορικού αναπτύχθηκε αλγόριθμος εντοπισμού των στρωμάτων των νεφών από το λαμβανόμενο σήμα του συστήματος lidar και πιστοποιήθηκε εντός του ευρωπαικού δικτύου EARLINET. Ο εντοπισμός του νέφους πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μαθηματικές μεθόδους επεξεργασίας του σήματος. Τα ερευνητικά ερωτήματα/υποθέσεις εργασίας που διερευνήθηκαν και απαντήθηκαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορούν στα εξής: (α)Σύγκριση δύο αλγορίθμων επεξεργασίας του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος του συστήματος lidar, του αλγορίθμου του εργαστηρίου της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και του ευρωπαϊκού αλγόριθμου Single Calculus Chain (SCC), (β) Η εφαρμογή, σύγκριση και βελτίωση δύο διαφορετικών μεθόδων αυτοματοποιημένης ταξινόμησης αιωρούμενων σωματιδίων που αναπτύχθηκαν εντός του ευρωπαικού δικτύου EARLINET. Η κατηγοριοποίηση των στρωματώσεων των σωματιδίων βασίζεται στις οπτικές τους ιδιότητες από δεδομένα μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν με τη διάταξη Raman-Lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου στη Θεσσαλονίκη και (γ) Oι μακροχρόνιες μεταβολές των ιδιοτήτων των νεφών από τα δεδομένα του φορητού Lidar του FMI (Finnish Meteorological Institute) για περιοχές της Φιλανδίας (Kuopio), Ν. Αφρικής (Elandsfontein) και της Ινδίας (Gual Pahari) για παρατηρήσεις 6 χρόνων. Η επεξεργασία των μετρήσεων εστιάστηκε στην αναζήτηση εποχιακών εξαρτήσεων των χαρακτηριστικών των νεφών και στη μελέτη της συχνότητας εμφάνισής τους.