Satellite remote sensing of atmospheric species

Abstract

This thesis is focused on the study of the changes of the atmospheric air quality through satellite remote sensing. The local air quality has traditionally been determined by ground-based measurements. However, with the increased satellite spatial resolution and detailed analysis tools, satellite remote sensing of the atmosphere has become the most important technique for observation of the global and local atmosphere. Nearly two decades of satellite trace gas column measurements has permitted their extensive quality assurance providing high spatio-temporal resolution results. Various pollutants can hence be assessed from space-based observations. Specifically, in this research we study the spatial and temporal distribution of two of them, ozone (O3) and mainly nitrogen dioxide (NO2).The characteristics of the Ozone decline over both Hemispheres are estimated from multiple satellite sensors and their correlation with the lower stratospheric temperatures is investigated. The observed record O3 (330 DU) decline over the Arctic during the winter/spring 2011 is also studied. Satellite observations and model simulations of NO2 tropospheric columns over Southeastern Europe are compared and analyzed to study the characteristics of the spatial and temporal variability of pollution in the area. The consistency between different satellite datasets over the area is also investigated and the correlation coefficient (R) ranges between 0.5 and 0.8.Further, higher resolution (10x10km2) model tropospheric NO2 simulations, weighted by retrieval Averaging Kernels are evaluated using retrievals from the satellite instrument with the highest pixel resolution (13x24km2) over South – Eastern Europe. The high resolution model simulations revealed consistent spatial patterns with the satellite data (R≈0.6). These datasets and the model a priori emission inventory were used in order to assess the model surface NOx emission inventory and to identify and compute NOx emissions at a regional scale for missing emission sources. The total a posteriori NOx emission inventory (0.98 Tg N/y) is an improved and completed fine resolved inventory at an annual basis, consisting of soil and biomass burning emissions that were not included in the a priori. Finally, the findings of this thesis are synthesized and the main results are highlighted.

Σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη των αλλαγών της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα μέσω της δορυφορικής τηλεπισκόπισης. Η τοπική ποιότητα αέρα καθορίζεται συνήθως από επίγειες μετρήσεις. Ωστόσο, με τη βελτίωση της χωρικής ανάλυσης των δορυφορικών οργάνων και την ανάπτυξη λεπτομερών εργαλείων ανάλυσης των δεδομένων, η δορυφορική τηλεπισκόπιση της ατμόσφαιρας αποτελεί την πιο σημαντική τεχνική μετρήσεων σε παγκόσμια και τοπική κλίμακα. Σχεδόν δύο δεκαετίες δορυφορικών μετρήσεων αέριων ρύπων επιτρέπουν την εκτενή αποτίμηση της ποιότητας του αέρα παρέχοντας αποτελέσματα υψηλής χωρο-χρονικής ανάλυσης. Ποικίλοι αέριοι ρύποι έχουν μετρηθεί από δορυφορικά όργανα. Στην συγκεκριμένη διατριβή μελετήσαμε δύο εξ αυτών, το όζον (Ο3) και κυρίως το διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ2). Υπολογίστηκαν τα χαρακτηριστικά της μείωσης του Ο3 πάνω και από τα 2 Ημισφαίρια από διάφορους δορυφορικού αισθητήρες και ερευνήθηκε η συσχέτισή τους με τη θερμοκρασία στην κατώτερη στρατόσφαιρα. Μελετήθηκε επίσης η παρατηρούμενη μείωση του Ο3 (330DU) πάνω από την Αρκτική την περίοδο χειμώνα άνοιξη του 2011. Έγινε σύγκριση των τροποσφαιρικών στηλών του ΝΟ2 πάνω από περιοχές της Νοτιοανατολικής Ευρώπης και μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά της χωρικής και χρονικής διακύμανσης της ρύπανσης στην περιοχή. Επιπλέον, μελετήθηκε η συμφωνία των παρατηρήσεων των διαφορετικών δορυφορικών οργάνων πάνω από τη Βαλκανική χερσόνησο και ο συντελεστής συσχέτισης (R) ήταν μεταξύ 0.5 και 0.8. Στη συνέχεια, αξιολογήθηκαν υψηλής ανάλυσης (10x10km2) προσομοιώσεις τροποσφαιρικής στήλης ΝΟ2 βεβαρημένες με τα Averaging Kernels, χρησιμοποιώντας μετρήσεις από το δορυφορικό όργανο με την υψηλότερη ανάλυση pixel (13x24km2) πάνω από την Νοτιοανατολική Ευρώπη. Οι υψηλής ανάλυσης προσομοιώσεις του μοντέλου εμφάνισαν πολύ καλή συμφωνία με τα δορυφορικά δεδομένα (R≈0.6). Τα τελευταία μαζί με τις προσομοιώσεις του μοντέλου και την a priori πληροφορία της βάσης εκπομπών του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν για την αποτίμηση των εκπομπών των οξειδίων του αζώτου του μοντέλου και την αναγνώριση των ελλιπών ΝΟx πηγών και υπολογισμό των εκπομπών αυτών σε τοπική κλίμακα . Η προκύπτουσα ολική a posteriori βάση εκπομπών που είναι μια βελτιωμένη και ολοκληρωμένη βάση υψηλής ανάλυσης σε ετήσια βάση αποτελούμενη από εκπομπές εδάφους και καύσης βιομάζας οι οποίες δεν συμπεριλαμβάνονταν στην a priori βάση. Τέλος, συνθέτοντας τα ευρήματα της παρούσας διατριβής εξάγονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα αυτής.