Optical and microphysical properties of atmospheric aerosols based on ground-based and satellite remote sensing techniques

Abstract

The overreaching goal of the dissertation thesis is three-fold: First, we present the upgrade lidar system of Thessaloniki (THELISYS), providing the new capabilities in the frame of aerosol measurements focusing on aerosol typing procedures. We provide a description of the optical and mechanical parts of the upgraded system, the scientific and technical objectives of its design, and the calibration methodologies. We describe in detail the conceptual design, its mechanical and optical parts, and finally an assessment of its potential and the retrieval uncertainties of the measured quantities are discussed. The EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) quality assurance quality tests are also being applied in the system in order to test the good performance of the lidar after the upgrade processes. The second part is focused on the aerosol characterization and species separation procedures, applying specific inversion algorithms on measurements obtained by ground-based active and passive remote sensing techniques. Through this study our scope is to evaluate the performance of these techniques (e.g. ASSA algorithm) providing their advantages and limitations when applied under different aerosol conditions. Our aim is firstly to check the performance of these techniques, when applied to lidar measurements under different aerosol conditions and secondly to investigate the reasons of typing agreement with respect to the uncertainties and the criteria applied. The third part of the thesis is dedicated to satellite data validation procedures using as reference dataset, lidar measurements from ground stations within the EARLINET network. Specifically, we focus on the product that refers to the retrieval of aerosol layer height from passive satellite sensors. In the context of the thesis, the GOME-2 Absorbing aerosol height (AAH) and the TROPOMI Aerosol Layer Height (ALH) products are used. Due to its implicit characteristics, EARLINET is an optimum tool for supporting satellite-based missions with extensive experience in satellite calibration and validation activities. For the needs of this study, the appropriate methodology was developed, advanced algorithm tools have been developed and applied to the EARLINET datasets aiming to fast and robust automated procedures in near real time. The presented results indicate the strengths and limitations of the satellite aerosol height products assessing the performance of the retrieval algorithms.

Η παρούσα διατριβή συνοψίζεται σε τρεις κύριες θεματικές ενότητες. Αρχικά, παρουσιάζουμε το αναβαθμισμένο σύστημα lidar της Θεσσαλονίκης (THELISYS), επικεντρωνόμαστε στις νέες δυνατότητες στο πλαίσιο των μετρήσεων των οπτικών ιδιοτήτων αεροζόλ και τις διαδικασίες που συνδέονται με την ταξινόμησή τους σε κατηγορίες. Περιγράφουμε λεπτομερώς τον εννοιολογικό σχεδιασμό, τα μηχανικά και οπτικά του μέρη, και τέλος συζητείται η εκτίμηση των αβεβαιοτήτων ανάκτησης των μετρούμενων μεγεθών. Τα τεστ διασφάλισης της ποιότητας όπως θεσπίζονται από το δίκτυο EARLINET (European Lidar Network) εφαρμόζονται στο σύστημα προκειμένου να ελεγχθεί η καλή απόδοση του μετά τις διαδικασίες αναβάθμισης. Στη συνέχεια η εργασία πραγματεύεται τις διαδικασίες αυτοματοποιημένης ταξινόμησης για τον χαρακτηρισμό αερολυμάτων, εφαρμόζοντας αλγόριθμους αντιστροφής σε μετρήσεις που λαμβάνονται με επίγειες τεχνικές τόσο ενεργητικής αλλά και παθητικής τηλεπισκόπησης. Επιπρόσθετα, γίνεται διερεύνηση για το ρόλο που διαδραματίζει η παρουσία διαφορετικών ειδών αερολυμάτων στην ποιότητα της ατμόσφαιρας του αστικού περιβάλλοντος της Θεσσαλονίκης χρησιμοποιώντας επιπλέον σε συνέργεια όργανα επιτόπιων μετρήσεων. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται τα ευρήματα των εκστρατειών PANACEA που πραγματοποιήθηκαν στον σταθμό της Θεσσαλονίκης την περίοδο 2019-2020. Το τρίτο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο σε διαδικασίες επικύρωσης δορυφορικών δεδομένων χρησιμοποιώντας ως σύνολο δεδομένων αναφοράς, μετρήσεις lidar από επίγειους σταθμούς που ανήκουν στο EARLINET. Συγκεκριμένα, εστιάζουμε στο προϊόν που αναφέρεται στην ανάκτηση ύψους στρώματος αερολύματος από παθητικούς δορυφορικούς αισθητήρες. Στα πλαίσια της διατριβής χρησιμοποιούνται τα προϊόντα GOME-2 Absorbing Aerosol height (AAH) και τα προϊόντα TROPOMI Aerosol Layer Height (ALH). Για τις ανάγκες της μελέτης, αναπτύχθηκε η κατάλληλη μεθοδολογία με τη χρήση προηγμένων αλγορίθμων στοχεύοντας σε αυτοματοποιημένες διαδικασίες σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται υποδεικνύουν τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς των δορυφορικών προϊόντων, αξιολογώντας την απόδοση των αλγορίθμων ανάκτησης. Ακόμη, στο τέλος της εργασίας πραγματοποιείται η αξιολόγηση του προϊόντος ύψους του στρώματος SO2 (SO2 Layer Height) όπως ανακτάται από τον TROPOMI/S5P έ-ναντι των μετρήσεων από το lidar CALIOP/CALIPSO για συγκεκριμένες περιπτώσεις ηφαιστειακών εκρήξεων.