Properties of desert dust using active satellite and ground-based remote sensing

Abstract

The topic of the thesis is the use of lidar measurements in region affected by dessert dust transport to validate the aerosol optical properties of the European Space Agency’s (ESA) Aeolus satellite mission. The Aeolus mission comprised the first wind lidar in space which was also capable of deriving profiles of the aerosol optical properties as Level 2A products using the high spectral resolution technique. However, the design of Aeolus allowed the detection of only the co-polar component of the backscattered light from the circularly polarised emission at 355 nm. This limitation affects the retrieval of the optical properties when depolarising particles such as dessert dust are present in the Aeolus’ line of sight, raising the need of developing a lidar system that would reproduce the performance of Aeolus for the validation of its aerosol products. To this end, a lidar system (eVe lidar) has been developed utilising a dual-laser/dual-telescope configuration for combined linear/circular depolarisation and Raman measurements to simultaneously reproduce the Aeolus operation as well as to perform measurements as a traditional ground-based polarisation lidar system. A detailed description on the optical and mechanical parts in the emission and receiver units of the developed eVe lidar system along with the polarisation calibration techniques and the dedicated algorithm developed for signal processing is provided in this thesis. The developed algorithm processes the lidar signals and derives the profiles of the particle backscatter and extinction coefficients, the lidar ratio, the volume/particle linear depolarisation ratios, and the volume/particle circular depolarisation ratios. The performance of the eVe lidar and its algorithm have been validated through intercomparison studies. First, the eVe algorithm has been validated using synthetic lidar signals suitable for algorithm intercomparison studies from the European Aerosol Research Lidar Network (EARLINET), demonstrating similar or better performance with the algorithms used within EARLINET. Second, the overall performance of the lidar system has been evaluated using its self-validating capability and collocated measurements with the ESA EMORAL lidar at Athens, Greece, and the PollyXT lidar at Mindelo, Cabo Verde, concluding to an excellent lidar performance providing accurate lidar products. The deployment phase of eVe lidar is the ASKOS campaign, the ground-based component of the Joint Aeolus Tropical Atlantic Campaign for the calibration and validation of the Aeolus products. As such, linear and circular depolarisation measurements from eVe lidar collocated with Aeolus overpasses have been performed and used to validate the Aeolus Level 2A products (particle extinction coefficient, co-polar backscatter coefficient and co-polar lidar ratio) obtained from the three available Aeolus algorithms (SCA, MLE, and AEL–PRO). Overall, good agreement was observed across all algorithms for the backscatter coefficient, with errors decreasing at higher altitudes. The extinction coefficient exhibited larger discrepancies and variability compared to the backscatter coefficient. The lidar ratio retrievals were the noisiest, with substantial random and overall errors across all algorithms. The systematic errors in all algorithms are overshadowed by random errors, driven by variability in atmospheric conditions and the inherent noise in Aeolus profiles, especially at lower altitudes where the aerosol layers reside.

Το θέμα της διδακτορικής διατριβής αφορά τη χρήση μετρήσεων lidar σε περιοχές που επηρεάζονται από τη μεταφορά ερημικής σκόνης για την επικύρωση των οπτικών ιδιοτήτων αερολυμάτων της αποστολής Aeolus του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ΕΟΔ). Η αποστολή Aeolus περιλάμβανε το πρώτο lidar στο διάστημα για τη μέτρηση πεδίων ανέμου, ικανό να παρέχει μετρήσεις των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων (προϊόντα L2A), χρησιμοποιώντας την τεχνική υψηλής φασματικής ανάλυσης Ωστόσο, ο σχεδιασμός της αποστολής Aeolus επέτρεπε την ανίχνευση μόνο της συν-πολωμένης συνιστώσας του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος από την κυκλικά πολωμένη εκπομπή στα 355 nm. Αυτός ο περιορισμός επηρεάζει την ανάκτηση των οπτικών ιδιοτήτων όταν μη σφαιρικά σωματίδια, όπως η ερημική σκόνη, βρίσκονται εντός του οπτικού πεδίου του Aeolus καθώς προκαλούν αποπόλωση του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος, καθιστώντας αναγκαία την ανάπτυξη ενός συστήματος lidar που θα μπορούσε να αναπαράγει τη λειτουργία του Aeolus με σκοπό τη διακρίβωση των προϊόντων L2A (οπτικές ιδιότητες αερολύματων). Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε το σύστημα eVe lidar, το οποίο χρησιμοποιεί διαμόρφωση διπλού-λέιζερ/διπλού-τηλεσκοπίου για την πραγματοποίηση παράλληλων μετρήσεων lidar γραμμικής και κυκλικής αποπόλωσης και ανελαστικής οπισθοσκέδασης. Ως εκ τούτου, το πρώτο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στην περιγραφή των οπτικών και μηχανικών μερών των μονάδων εκπομπής, λήψης και ανίχνευσης του συστήματος eVe lidar, των τεχνικών βαθμονόμησης ως προς ανίχνευση της πόλωσης, καθώς και του αλγορίθμου επεξεργασίας των σημάτων lidar που αναπτύχθηκε. Ο αλγόριθμος αυτός επεξεργάζεται τα σήματα lidar και εξάγει τα προφίλ των συντελεστών οπισθοσκέδασης και εξασθένησης των σωματιδίων, του λόγου lidar, των λόγων γραμμικής αποπόλωσης όγκου/σωματιδίων και των λόγων κυκλικής αποπόλωσης όγκου/σωματιδίων. Η απόδοση τόσο του lidar όσο και του αλγορίθμου του ελέγχθηκε μέσω μελετών δια-σύγκρισης. Αρχικά, ο αλγόριθμος αξιολογήθηκε χρησιμοποιώντας συνθετικά σήματα lidar κατάλληλα για μελέτες δια-σύγκρισης αλγορίθμων ανάκτησης οπτικών ιδιοτήτων από το Ευρωπαϊκό Δίκτυο Ερευνών Lidar Αερολυμάτων (EARLINET), παρουσιάζοντας απόδοση συγκρίσιμη ή καλύτερη από αντίστοιχους αλγόριθμους του EARLINET. Επιπλέον, η συνολική απόδοση του lidar αξιολογήθηκε μέσω της ικανότητάς του για αυτο-διακρίβωση και με τη βοήθεια ταυτόχρονων μετρήσεων δια-σύγκρισης με το lidar EMORAL του ΕΟΔ στην Αθήνα, καθώς και το lidar PollyXT στο Μιντέλο, Πράσινο Ακρωτήριο. Οι μελέτες αυτές επιβεβαίωσαν την εξαιρετική απόδοση του eVe lidar, προσφέροντας ακριβή προϊόντα lidar. Το eVe lidar χρησιμοποιήθηκε στην πειραματική εκστρατεία ΑΣΚΟΣ με σκοπό τη διακρίβωση των προϊόντων του Aeolus. Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονες μετρήσεις γραμμικής και κυκλικής αποπόλωσης από το eVe lidar με υπερπτήσεις του Aeolus για τη διακρίβωση των οπτικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων που παρέχονται από τους τρεις διαθέσιμους αλγορίθμους του Aeolus (SCA, MLE και AEL–PRO). Τα αποτελέσματα έδειξαν καλή συμφωνία για το συντελεστή οπισθοσκέδασης και στους τρεις αλγορίθμους, με μείωση των σφαλμάτων σε μεγαλύτερα υψόμετρα και σε μικρότερες τιμές υπερκείμενου συνολικού οπτικού βάθους. Ο συντελεστής εξασθένησης παρουσίασε μεγαλύτερες αποκλίσεις και μεταβλητότητα σε σχέση με τον συντελεστή οπισθοσκέδασης, ενώ ο λόγος lidar εμφάνισε τη μεγαλύτερη αβεβαιότητα, με αυξημένες τιμές σφαλμάτων. Τα συστηματικά σφάλματα υπερκαλύπτονται από τα τυχαία, τα οποία οφείλονται τη μεγαλύτερη ατμοσφαιρική μεταβλητότητα και στον αυξημένο φόρτο αερολυμάτων που απαντώνται συνήθως σε χαμηλά υψόμετρα, προκαλώντας ενισχυμένη εξασθένιση στα σήματα του Aeolus και κατ’ επέκταση σε υψηλότερα επίπεδα θορύβου στα προϊόντα που ανακτώνται.