The effect of the potential vorticity in validation of satellite total ozone columns using ground-based observations
Creators: name: Πάσχου, Περιστέρα Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Πολικός στρόβιλος
Έλεγχος εγκυρότητας δορυφορικών μετρήσεων ολικής στήλης όζοντος
Δυνητικός στροβιλισμός
Polar vortex
Validation of satellite total ozone columns
Potential vorticity

description: Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης του δυνητικού στροβιλισμού στον έλεγχο εγκυρότητας δορυφορικών μετρήσεων ολικής στήλης όζοντος μέσω της βελτίωσης των συγκρίσεων μεταξύ δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων στις περιπτώσεις όπου τα ζεύγη συνεγκατεστημέων δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων επηρεάζονται από τη θέση του πολικού στροβίλου. Οι μετρήσεις ολικής στήλης του όζοντος που ανακτήθηκαν από τους δορυφορικούς αισθητήρες GOME2/MetOp-A, GOME2/MetOp-B και OMI/Aura μέσω της τέταρτης έκδοσης του αλγορίθμου GODFIT, προϊόν του προγράμματος Ozone_CCI της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, ελέγχθηκαν ως προς την εγκυρότητά τους με βάση επίγειες παρατηρήσεις από τα φασματοφωτόμετρα Brewer και Dobson του Παγκόσμιου Κέντρου Δεδομένων Όζοντος και Υπεριώδους Ακτινοβολίας στους σταθμούς με γεωγραφικό πλάτος μεγαλύτερο των 30o σε Βόρειο και Νότιο Ημισφαίριο, δηλαδή περιοχές όπου επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τον πολικό στρόβιλο, για τη χρονική περίοδο 2007-2017. Για τον καθορισμό της περιοχής του πολικού στροβίλου χρησιμοποιήθηκε ως δείκτης ο δυνητικός στροβιλισμός στο επίπεδο δυνητικής θερμοκρασίας των 475 K, του οποίου τα δεδομένα προήλθαν από τη βάση δεδομένων ERA-Interim reanalysis datasets του Ευρωπαϊκού Κέντρου Μεσοπρόθεσμων Προγνώσεων Καιρού. Η ανάλυση των δεδομένων εφαρμόστηκε σε τρια χωρικά κριτήρια απόστασης με βάση την χωρική κάλυψη του κάθε αισθητήρα. Τα ζεύγη των συνεγκατεστημένων δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων διαχωρίστηκαν ανάλογα με το αν και οι δυο μετρήσεις βρίσκονται εντός του πολικού στροβίλου (ταιριαστές) ή αν η μία βρίσκεται εντός ενώ η άλλη βρίσκεται εκτός (αταίριαστες) διευκρινίζοντας παράλληλα ποια μέτρηση είναι εκτός του πολικού στροβίλου (δορυφορική εκτός ή επίγεια εκτός). Για όλες τις περιπτώσεις συνεγκαταστάσεων, πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση και κατασκευή γραφημάτων για τη μελέτη του βαθμού επίδρασης του δυνητικού στροβιλισμού στις συνεγκατεστημένες μετρήσεις και κατ’ επέκταση στον έλεγχο εγκυρότητας δορυφορικών δεδομένων ολικής στήλης όζοντος. Για τους 3 δορυφορικούς αισθητήρες, GOME2-A, GOME2-B και OMI, σε όλους τους εξεταζόμενους σταθμούς η μέση διαφορά είναι κατά μέσο όρο 2,24 ± 0,39 %, 1,95 ± 0,56 % και 1,27 ± 0,38 % αντίστοιχα για τις αταίριαστες περιπτώσεις συνεγκαταστάσεων, 3,16 ± 0,37 %, 3,7 ± 0,63 % και 2,34 ± 0,39 % αντίστοιχα για τις αταίριαστες περιπτώσεις με τη δορυφορική μέτρηση εκτός πολικού στροβίλου, 1,17 ± 0,49 %, 1,16 ± 0,65 % και 1,35 ± 0,42 % αντίστοιχα για τις αταίριαστες περιπτώσεις με την επίγεια μέτρηση εκτός πολικού στροβίλου, ενώ για τις ταιριαστές περιπτώσεις συνεγκαταστάσεων είναι 0,97 ± 0,14 %, 1,44 ± 0,18 % και 1,05 ± 0,16 % αντίστοιχα. Επίσης, οι συντελεστές της γραμμικής παλινδρόμησης που εφαρμόστηκε σε κάθε σταθμό για κάθε περίπτωση συνεγκαταστάσεων, υποδεικνύουν καλύτερη συσχέτιση των ταιριαστών περιπτώσεων σε σχέση τις δυο υποπεριπτώσεις αταίριαστων συνεγκαταστάσεων στους περισσότερους σταθμούς. Η αναμενόμενη διαφορά μεταξύ των αταίριαστων και ταιριαστών συνεγκατεστημένων μετρήσεων παρατηρείται, επομένως για τον έλεγχο εγκυρότητας δορυφορικών δεδομέων ολικής στήλης όζοντος σε τοπική κλίμακα λαμβάνοντας υπόψη σταθμούς που επηρεάζονται από τη θέση του πολικού στροβίλου, προτείνεται οι αταίριαστες περιπτώσεις συνεγκατεστημένων μετρήσεων να αποκλείονται από την ανάλυση για τη βελτίωση των αποτελεσμάτων. Σε παγκόσμια βέβαια κλίμακα το χαμηλό ποσοστό του αριθμού αταίριαστων συνεγκαταστάσεων σε σχέση με τις συνολικές συνεγκαταστάσεις για κάθε σταθμό, το οποίο δεν υπερβαίνει το 2%, δε φαίνεται να προκαλεί σημαντικές αλλαγές στα αποτελέσματα επικύρωσης
description: The main aim of this study is to evaluate the effect of potential vorticity in validation of space-born total ozone column measurements, TOCs, through the improvement of comparisons between satellite and ground-based TOC measurements in the cases where the collocation criteria result in the observations being affected by the location of the polar vortex. European Space Agency Ozone_CCI GODFIT (GOME-type direct fitting) v4 algorithm retrievals from GOME-2/Metop-A, GOME-2/Metop-B and OMI/Aura TOCs were validated against observations by ground-based spectrophotometer instruments (Brewer and Dobson) from the World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre repository. For the determination of the edge and surface area of the polar vortex, the potential vorticity at 475 K potential temperature surface provided by ERA-Interim reanalysis datasets from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts was used as an indicator. Ozone observations from 2007 to 2017 were examined for all Brewer and Dobson stations in the North and South Hemisphere with latitude greater than 30o, in regions that are most affected by the position of polar vortex. The analysis was applied for three spatial criteria depending on each sensor’s spatial coverage. The main premise was that the collocations between ground and satellite were separated depending on whether both satellite and ground-based measurements are inside the polar vortex (matched) or one measurement is inside whereas the other one is outside the polar vortex (mismatched), also clarifying which one is outside the vortex (sat out or gnd out). Statistical analysis was carried out for all cases of collocation as well as latitudinal plots and scatter plots were made in order to draw results about the effect of potential vorticity on validation of satellite TOCs. For GOME2-A, GOME2-B and OMI the mean difference in all examined stations was found to be 2.24 ± 0.39 %, 1.95 ± 0.56 % and 1.27 ± 0.38 % respectively for the mismatched cases, 3.16 ± 0.37 %, 3.7 ± 0.63 % and 2.34 ± 0.39 % respectively for the sat out mismatched cases, 1.17 ± 0.49 %, 1.16 ± 0.65 % and 1.35 ± 0.42 % respectively for the gnd out mismatched cases, while for the matched cases the mean difference was found to be 0.97 ± 0.14 %, 1.44 ± 0.18 % and 1.05 ± 0.16 % respectively. Also, improved correlation is observed for the matched cases in regard to the mismatched subcases in most of the stations. The expected difference between mismatched and matched collocations is observed and thus on validation of satellite total ozone columns on local scale by taking into account stations that are affected by the polar vortex, the validation results would be more efficient if the mismatched cases were excluded from the analysis. However, on a global scale, the low percentage of the number of mismatched cases in regard to the total collocations as they do not exceed the 2%, do not seem to cause significant changes in the validation results