Μελέτη της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών στην ηλιακή ακτινοβολία

Abstract

In the present doctoral thesis, the spatiotemporal effects of clouds, aerosols and integrated water vapor are examined, when the solar irradiance is transferred from the top of atmosphere to the Earth’s surface. The first chapter provides a brief description of the basic concepts of radiative transfer and the factors that affect the propagation of solar irradiance until the Earth’s surface. The main atmospheric parameters are examined based on their dominant types, optical properties, and mechanisms of scattering and absorption. Additionally, the Site Adaptation Methods for the correction of the uncertainties of atmospheric and radiometric estimates are presented briefly. These atmospheric and radiometric parameters derive from satellite sensor, reanalysis projects and their synergy with radiative transfer models. The second chapter provides a description of satellite sensor, reanalysis projects, atmospheric and radiometric stations, whose time series are used in this thesis, as well as the radiative transfer models for radiometric simulations. The third chapter identifies the dominant type of clouds and atmospheric conditions, which cause enhancing of the global shortwave solar irradiance (GHI). This type is cumulus mid and high-level clouds, while for solar zenith angles lower than 80°, 4% of total GHI measurements are considered as enhancements, with the values of GHI reaching up to 1420 W/m2. In the fourth chapter, the direct effect of aerosol and precipitable water (PW) optical properties are examined in the attenuation of GHI, and especially to the regions of North Africa and Middle East (MENA). According to the synergy of satellite time series from the two versions of MODIS (v6 and v6.1) and radiometric estimations from RTM, the GHI time series are estimated and statistically assessed against the ground-based measurements. The synergy of v.6.1 and RTM simulations provides better statistical results against the ground-based measurements for Middle-East sites and Tamanrasset (TAM), while for Adrar (ADR), Ghardaia (GHA) and Tataouine (TAT), the v.6 combination with RTM is closer to observations. Especially, the best statistical outcomes for version v6 and v6.1 are calculated in ADR (MBE=0.28 kWh/m2, RMSE=7.8%,R2=0.95, KSI=91% and OVER=10%) and MAN (MBE=0.28 kWh/m2, RMSE=5.6%, R2=0.95, KSI=72% and OVER=12%) respectively. Furthermore, the site Adaptation methods (LIN and EQM) are evaluated due to the presence of systematic and dispersion errors in estimates, with the EQM to be more efficient technique. More specifically, independently of the MODIS version used, the statistical indexes of similitude (KSI and OVER) between the estimations and the observations of GHI are lower than 5% (KSI) and equal to 0% (OVER). In the fifth chapter, the spatiotemporal accuracy of aerosol optical properties from the Copernicus Atmosphere Monitoring Service (AODCAMS) is extensively investigated against the observations of Aerosol Robotic Network (AODAERONET). The aim is to be proposed a methodology, which will provide direct shortwave solar irradiance estimates (DNICAMS) with high spatiotemporal analysis, when the ground based and satellite datasets of AOD, which are derived from assimilation system, are combined with RTM simulations from SBDART. Additionally, a pre-comparison and calibration of AODCAMS time series based on AODAERONET dataset are used for the calculation of the raw and the corrected induced uncertainties on DNICAMS. According to the results, the relative systematic errors (rMBE) of DNICAMS range from -28% to 32% and -5.9% to 0.6% for the raw and the calibrated AODCAMS. For the relative dispersion errors (rRMSEs) of DNICAMS, the values range from 5.4% to 18% when using the original AODCAMS while for the calibrated AODCAMS, rRMSEs are reduced (4.5% - 15.2%). In local scale, the values of rRMSE reach up to 18% and 36% for Mauna Loa (Hawaii) and Mexico City (Mexico), when the original AODCAMS are used, because CAMS cannot resolve the height of the volcanoes and therefore fails in a certain extent to reproduce the observed AOD (cases with enhanced sulfate aerosols). For calibrated AODCAMS, the rRMSE values are improved by 1% (Mauna Loa) and 13% (Mexico City).In the sixth chapter, the reanalysis timeseries of precipitable water (PW) are used from Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications (MERRA, v2) and the SWR simulations are obtained from the REST2 clear-sky radiation model, to estimate the impacts of PW in the attenuation of GHI. Especially, the parameters of water vapor radiative effect (WVRE) and precipitable water efficiency (PWE) are estimated through the REST2, using the hourly PW dataset and monthly aerosol optical properties as input to the model. At global scale, WVRE exhibits a distinct seasonal pattern ranging from −80.2 to 0 W m−2, with its most negative values being detected in humid regions where PW is typically high. Additionally, for PW, which is higher than 4 cm, its contribution is relatively small in SWR attenuation due to the saturation effect. On the other hand, over arid regions, the values of WVRE are less negative since the SWR attenuation is mainly controlled by the high aerosol loads, while over high-altitude regions, the low values of PW reduce the atmospheric absorption, resulting in low absolute values of WVRE. Concerning PWE, it is estimated globally between −86.9 and 0 W m−2 cm−1, on a monthly long-term basis, with the largest variability appearing over high-altitude areas at low latitudes because mountainous regions are characterized by low PW, which is compounded by the low air mass at low latitudes (driving quantity: m•w). Finishing up with this chapter, the Köppen-Geiger (KG) climate classification system is used for the determination of distinct climate clusters on a global scale (basic parameters of classification: temperature and precipitation), and the investigation of the potential effects of local climate on WVRE. Especially, over areas with Equatorial climate (class A), the most negative values of WVRE are detected, with its median and mean values distributed close to −63 W m−2, due to the highest values of PW that prevail in atmospheric air. On the other hand, over Polar regions, the values of WVRE are less negative (median value: −28 W m−2), because these areas are characterized by low PW, and thus lower sunlight attenuation is expected, despite the much larger air masses than near the Equator.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, εξετάζονται οι χωροχρονικές επιδράσεις των νεφών, των αιωρημάτων και της ποσότητας των υδρατμών, υπολογισμένης σε μία κατακόρυφη ατμοσφαιρική στήλη, στην ακτινοβολία που μεταφέρεται από την κορυφή της ατμόσφαιρας έως την επιφάνεια της Γης. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται περιληπτικά οι βασικές ιδέες της ακτινοβολιακής μεταφοράς και των ατμοσφαιρικών παραγόντων που επηρεάζουν την διάδοση της ακτινοβολίας μέχρι την επιφάνεια της Γης. Οι κύριες ατμοσφαιρικές παράμετροι εξετάζονται με βάση τον τύπο τους, τις οπτικές ιδιότητες τους, και τους μηχανισμούς σκέδασης και απορρόφησης της ακτινοβολίας. Επιπρόσθετα, παρουσιάζονται περιληπτικά οι μέθοδοι προσαρμογής στην τοποθεσία για την διόρθωση των αβεβαιοτήτων των ατμοσφαιρικών και ακτινομετρικών εκτιμήσεων. Οι συγκεκριμένες ατμοσφαιρικές και ακτινομετρικές εκτιμήσεις προέρχονται από δορυφορικούς αισθητήρες, προγράμματα δεδομένων επανάλυσης και την συνέργεια τους με μοντέλα επίλυσης της εξίσωσης διάδοσης της ακτινοβολίας (RTM). Στο δεύτερο κεφάλαιο πραγματοποιείται μια αναλυτική περιγραφή της αρχής λειτουργίας των δορυφορικών αισθητήρων, των προγραμμάτων επανάλυσης, των ατμοσφαιρικών και ακτινομετρικών σταθμών, και των μοντέλων επίλυσης της εξίσωσης διάδοσης της ακτινοβολίας, των οποίων οι χρονοσειρές και οι ακτινομετρικές προσομοιώσεις αξιοποιούνται αντίστοιχα στη παρούσα διατριβή. Στο τρίτο κεφάλαιο, εξετάζουμε τον τύπο των νεφών και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, που προκαλούν κατά κύριο λόγο τις ενισχύσεις στην ολική ακτινοβολία μικρού μήκους κύματος (GHI). Ο συγκεκριμένος τύπος είναι οι σωρείτες και τα νέφη μεσαίας και υψηλής κλίμακας, ενώ για ηλιακές ζενίθιες γωνίες χαμηλότερες από 80°, το 4% της συνολικής χρονοσειράς της GHI καταγράφονται ως ενισχύσεις, με τις τιμές της να φτάνουν μέχρι την ένδειξη των 1420 W/m2. Στο τέταρτο κεφάλαιο, διερευνούμε την άμεση επίδραση των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρημάτων και του υετίσιμου νερού (PW) στην εξασθένιση της GHI στις περιοχές της Βόρειας Αφρικής και Μέσης Ανατολής (MENA). Συνεπώς, με βάση την συνέργεια των δορυφορικών χρονοσειρών από τις δύο εκδόσεις του MODIS (v6 και v6.1) και ακτινομετρικών υπολογισμών από το RTM, οι χρονοσειρές της GHI εκτιμώνται και αξιολογούνται στατιστικά απέναντι σε επίγειες μετρήσεις. Η συνέργεια της έκδοσης v.6.1 και των προσομοιώσεων της ακτινοβολίας από το RTM παρέχουν τα καλύτερα στατιστικά αποτελέσματα απέναντι στις επίγειες παρατηρήσεις για τις τοποθεσίες της Μέσης Ανατολής και του Tamanrasset (ΤΑΜ), ενώ για Adrar (ADR), Ghardaia (GHA) και Tataouine (TAT), ο συνδυασμός των ατμοσφαιρικών παραμέτρων από v.6 και ακτινομετρικών υπολογισμών από το RTM δίνει καλύτερες εκτιμήσεις της GHI απέναντι στις επίγειες μετρήσεις. Πιο συγκεκριμένα, τα καλύτερα στατιστικά αποτελέσματα για τις εκτιμήσεις απέναντι στις παρατηρήσεις της GHI, αξιοποιώντας τις v6 και v6.1, υπολογίζονται στο ADR (MBE=0.28 kWh/m2, RMSE=7.8%, R2=0.95, KSI=91% και OVER=10%) και στο MAN (MBE=0.28 kWh/m2, RMSE=5.6%, R2=0.95, KSI=72% και OVER=12%) αντίστοιχα. Επίσης, στο παρόν κεφάλαιο, εφαρμόζονται και αξιολογούνται οι μέθοδοι προσαρμογής στην τοποθεσία (LIN και EQM) εξαιτίας της ύπαρξης των παραπάνω συστηματικών αβεβαιοτήτων και σφαλμάτων διασποράς στις εκτιμήσεις της GHI, με την EQM να χαρακτηρίζεται ως η πιο αποδοτική τεχνική για την εξάλειψη και μείωση τους αντίστοιχα. Ειδικότερα και ανεξάρτητα της αξιοποιούμενης έκδοσης του MODIS, η ΕQM βελτιώνει περισσότερο τους στατιστικούς δείκτες ομοιότητας (KSI και OVER) μεταξύ των εκτιμώμενων και παρατηρούμενων αθροιστικών συχνοτήτων κατανομής της GHI, με τις τιμές του KSI και του OVER να είναι μικρότερες από 5% και 0% αντίστοιχα. Στο πέμπτο κεφάλαιο, διερευνάται εκτενώς η χωροχρονική ακρίβεια των οπτικών ιδιοτήτων των αιωρημάτων (AODCAMS) από την υπηρεσία παρακολούθησης της ατμόσφαιρας (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) απέναντι σε παρατηρήσεις (AODAERONET) από το αυτοματοποιημένο δίκτυο αιωρούμενων σωματιδίων (AERONET). Ο στόχος είναι να προταθεί μια μεθοδολογία, η οποία θα παρέχει τις εκτιμήσεις της άμεσης ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος (DNICAMS) με υψηλή χωροχρονική ανάλυση, όταν οι επίγειες και δορυφορικές παρατηρήσεις του AOD, οι οποίες προέρχονται από το σύστημα αφομοίωσης της CAMS, συνδυαστούν με προσομοιώσεις της ακτινοβολίας από το RTM του Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer (SBDART). Επομένως, πραγματοποιούνται πρώτα συγκρίσεις και μετέπειτα βαθμονομήσεις των χρονοσειρών του AODCAMS με βάση τις χρονοσείρες του AODAERONET, με στόχο τον υπολογισμό των αρχικών και διορθωμένων επαγόμενων αβεβαιοτήτων των ακτινομετρικών εκτιμήσεων (DNICAMS). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, τα σχετικά συστηματικά σφάλματα (rMBEs) της DNICAMS κυμαίνονται από -28% έως 32% και -5.9% έως 0.6% για τα αρχικά και τα βαθμονομημένα δεδομένα του AODCAMS. Όσον αφορά στα σχετικά σφάλματα διασποράς (rRMSEs) της DNICAMS, οι τιμές τους εκτείνονται από 5.4% έως 18%, όταν αξιοποιούνται τα αδιόρθωτα δεδομένα του AODCAMS, ενώ χρησιμοποιώντας τα βαθμονομημένα, τα rRMSEs είναι βελτιωμένα (4.5% - 15.2%). Σε τοπική κλίμακα, οι τιμές του rRMSE προσεγγίζουν τα ποσοστά του 18% και 36% για το Μάουνα Λόα (Χαβάη) και το Μέξικο Σίτι (Μεξικό), όταν αξιοποιούνται οι αδιόρθωτες χρονοσειρές του AODCAMS. Αυτά τα υψηλά ποσοστά οφείλονται στην αδυναμία της CAMS να ανιχνεύσει το ύψος του θυσάνου των ηφαιστείων και επομένως αποτυγχάνει να αναπαράγει με ακρίβεια τις παρατηρήσεις του AOD (περιπτώσεις με αυξημένες ποσότητες θειούχων αιωρημάτων). Μετά την βαθμονόμηση των δεδομένων του AODCAMS, οι τιμές του rRMSE βελτιώνονται σε αυτές τις ηφαιστιογενείς περιοχές κατά 1% (Mauna Loa) και 13% (Mexico City). Στο έκτο κεφάλαιο, αξιοποιούνται οι χρονοσειρές επανάλυσης του υετίσιμου νερού (PW) από την Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications (MERRA, v2) και εκτιμήσεις της SWR μέσω του μοντέλου επίλυσης της εξίσωσης διάδοσης της ακτινοβολίας υπό ανέφελες συνθήκες (REST2), ώστε να αξιολογήσουμε τις επιδράσεις του PW στην εξασθένιση της GHI. Πιο συγκεκριμένα, οι παράμετροι της επίδρασης και της αποδοτικότητας των υδρατμών στην ακτινοβολία (WVRE και PWE) εκτιμώνται μέσω του REST2, χρησιμοποιώντας τα ωριαία δεδομένα του PW και τις μηνιαίες οπτικές ιδιότητες των αιωρημάτων ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο. Συνεπώς, σε παγκόσμια κλίμακα, η χρονοσειρά της WVRE παρουσιάζει διακριτά εποχιακά χαρακτηριστικά, κυμαινόμενη από −80.2 έως 0 W m−2, με τις πιο αρνητικές τιμές της να υπολογίζονται στις υγρές περιοχές, όπου το PW (περιεκτικότητα του ατμοσφαιρικού αέρα σε υδρατμούς) χαρακτηρίζεται ως υψηλό. Επιπρόσθετα, για το PW, το οποίο έχει τιμές υψηλότερες από 4 cm, η συνεισφορά του είναι σχετικά μικρή στην εξασθένιση της SWR, εξαιτίας της συσσώρευσης των υδρατμών στον ατμοσφαιρικό αέρα. Από την άλλη πλευρά, στις άνυδρες περιοχές, οι ενδείξεις της WVRE είναι λιγότερο αρνητικές, επειδή η εξασθένιση της SWR οφείλεται κυρίως στις υψηλές συγκεντρώσεις ή ανατροφοδοτήσεις της ατμόσφαιρας σε αιωρούμενα σωματίδια, ενώ στις ορεινές περιοχές, οι χαμηλές ενδείξεις του PW ευθύνονται για την μειωμένη ατμοσφαιρική απορρόφηση της SWR, με αποτέλεσμα οι τιμές της WVRE να είναι χαμηλές κατά απόλυτη τιμή. Όσον αφορά στη παράμετρο της PWE, οι εκτιμήσεις της παγκοσμίως κυμαίνονται ανάμεσα στα −86.9 και 0 W m−2 cm−1 σε μηνιαία μακροπρόθεσμη κλίμακα, με την μεγαλύτερη μεταβλητότητα της να παρατηρείται σε περιοχές μεγάλου υψομέτρου και στα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη, επειδή ο ατμοσφαιρικός αέρας των ορεινών περιοχών χαρακτηρίζεται από χαμηλή περιεκτικότητα σε υδρατμούς (PW), η οποία συνδυάζεται με τις χαμηλές τιμές της αέριας μάζας σε χαμηλά γεωγραφικά πλάτη (καθοριστική παράμετρος: m•w). Ολοκληρώνοντας με αυτό το κεφάλαιο, το κλιματικό σύστημα ταξινόμησης του Köppen-Geiger (KG) εφαρμόζεται επίσης για τον καθορισμό των χαρακτηριστικών κλιματικών ομάδων σε παγκόσμια κλίμακα (βασικές παράμετροι ταξινόμησης: θερμοκρασία και υδάτινες κατακρημνίσεις), ώστε να διερευνηθούν οι τοπικές επιδράσεις του κλίματος στην WVRE. Ειδικότερα, στις περιοχές του Ισημερινού (ομάδα A), εντοπίζονται οι πιο αρνητικές τιμές της WVRE, με τις διάμεσες και μέσες ενδείξεις της να κατανέμονται γύρω από τα -63 W/m2, εξαιτίας των πολύ υψηλών συγκεντρώσεων του PW στον ατμοσφαιρικό αέρα. Αντιθέτως, στις πολικές περιοχές, υπολογίζονται οι λιγότερο αρνητικές τιμές της WVRE (ένδειξη διαμέσου: −28 W m−2), επειδή στις συγκεκριμένες τοποθεσίες καταγράφονται οι μικρότερες συγκεντρώσεις του PW στον ατμοσφαιρικό αέρα, και συνεπώς αναμένεται η μικρότερη εξασθένιση στην ηλιακή δέσμη, αν και οι ενδείξεις της αέριας μάζας είναι υψηλότερες συγκριτικά με αυτές του Ισημερινού.