Μελέτη του ύψους του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος πάνω από την Ελλάδα με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων
Creators: name: Λεβεντίδου, Ελπίδα Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Ατμοσφαιρικό Οριακό Στρώμα (ΑΟΣ)
Δορυφορικά δεδομένα
Ραδιοβολήσεις
CALIPSO
ECMWF
PBL height

description: Αντικείμενο της διπλωματικής είναι η σύγκριση του ύψους του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος που προκύπτει από τα Level 2 aerosol layer data του δορυφόρου CALIPSO με αυτό που παρέχεται από το μοντέλο ECMWF και ραδιοβολήσεις, για την περίοδο 01/06/2006- 31/03/2011, για τρείς πόλεις: Θεσσαλονίκη, Αθήνα και Ηράκλειο. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη φυσική του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος και στις βασικότερες μεθόδους υπολογισμού του ύψους του. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του δορυφόρου CALIPSO. Σ’ αυτό το κεφάλαιο αναλύεται η περιγραφή του συστήματος Lidar του Caliop, το σύστημα εκπομπής, λήψης και καταγραφής, η μέθοδος βαθμονόμησης, οι αλγόριθμοι εξαγωγής δεδομένων και η περιγραφή των προϊόντων δεδομένων του δορυφόρου. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη ιστορική περιγραφή της δημιουργίας του συστήματος πρόγνωσης ECMWF. Αναφέρονται το σύστημα πρόγνωσης και αφομοίωσης δεδομένων, η μέθοδος υπολογισμού του ύψους του Οριακού Στρώματος από το ECMWF και ο κώδικας. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη σύγκριση του ύψους του ΑΟΣ από το CALIPSO με το ECMWF και ραδιοβολήσεις αναλύεται στο τέταρτο κεφάλαιο. Συγκεκριμένα το χαμηλότερο στρώμα που ανιχνεύει το Caliop και αντιστοιχεί σε στρώμα ρύπων, ορίζεται ως το άνω όριο του ΑΟΣ. Για τη διαδικασία της σύγκρισης χρησιμοποιήθηκαν μόνο ημερήσιες μετρήσεις (10:00-11:00 UTC). Απορρίφθηκαν τα πολύ λεπτά στρώματα (&lt;100 μέτρα) και τα υπερυψωμένα στρώματα (βάση μεγαλύτερη από 300μέτρα και κορυφή μεγαλύτερη από 6000μετρα). Το ύψος από το ECMWF επιλέχθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να αντιστοιχεί στο κοντινότερο σημείο διέλευσης του δορυφόρου από τις τρείς πόλεις στις 12:00UTC. Το ύψος του ΑΟΣ από ραδιοβολήσεις προσδιορίζεται με τη μέθοδο υπολογισμού της κρίσιμης τιμής του συντελεστή Ribulk (&gt;0,25) και με γραφικές μεθόδους από την οξεία αύξηση της δυναμικής θερμοκρασίας και την οξεία μείωση ειδικής υγρασίας καθ ύψος. Οι ραδιοβολήσεις γίνονται στα αεροδρόμια των τριών πόλεων στις 12:00UTC. Τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των μετρήσεων παρουσιάζονται στο πέμπτο κεφάλαιο. Αρχικά τα αποτελέσματα για τη Θεσσαλονίκη δίνουν ένα χαμηλό βαθμό συσχέτισης της τάξης του 0.45 ενώ για τις άλλες πόλεις η συσχέτιση είναι ακόμη μικρότερη. Διαπιστώθηκε ότι η απόκλιση των μετρήσεων δεν εξαρτάται από την απόσταση του σημείου μέτρησης από το σημείο ενδιαφέροντος, ούτε από το διαχωρισμό ΑΟΣ ξηράς και θάλασσας. Επιπλέον αυτός ο διαχωρισμός εμπεριέχει μεγάλη αβεβαιότητα. Ακολούθησε ο περιορισμός του ύψους του πρώτου στρώματος στα 3 χιλιόμετρα από τα 6. Ενώ αυτό το κριτήριο έχει φυσική σημασία, αφού δεν ορίζεται ύψος του ΑΟΣ πάνω από αυτό το ύψος, δε βελτίωνε τη συσχέτιση. Έπειτα έγινε ένας στατιστικός περιορισμός, απορρίφτηκαν οι περιπτώσεις όπου CALIPSO και ECMWF αποκλίνουν μεταξύ τους πάνω από 50% και οι συσχετίσεις βελτιώθηκαν σημαντικά. Ελαφρώς καλύτερη συσχέτιση έχει το Ηράκλειο με 0.79 και ακολουθούν η Αθήνα με 0.74 και η Θεσσαλονίκη με 0.75. Οι αποκλίσεις αυτές οφείλονται κυρίως στις ακραίες-υψηλές τιμές που μετρά το Caliop και λιγότερο εξ’ αιτίας ακραίων τιμών του ECMWF. Συγκρίνοντας τις περιπτώσεις όπου ECMWF και CALIPSO έχουν μικρή απόκλιση (&lt;50%) με ραδιοβολήσεις, παρατηρήθηκε καλύτερη συσχέτιση για το ECMWF στη Θεσσαλονίκη (0.54) και το Ηράκλειο (0.38). Αντίθετα στην Αθήνα καλύτερη συσχέτιση παρουσιάζει ο δορυφόρος (0.67). Το πρόβλημα της χαμηλής συσχέτισης, έπειτα και από τη διερεύνηση 6 ακραίων περιπτώσεων στο Ηράκλειο που υπερβαίνουν τα 3 χιλιόμετρα, εντοπίζεται κυρίως στο γεγονός ότι το Caliop ανιχνεύει στρώματα σκόνης που μεταφέρονται από τη Σαχάρα και δεν μπορεί να διακρίνει χαμηλότερες στρωματώσεις. Τέλος συμπεράναμε πως το ύψος του πρώτου στρώματος από το CALIPSO έχει έναν αξιόλογο βαθμό συσχέτισης με το ΑΟΣ από το ECMWF ακολουθούν η Αθήνα με 0.75 και η Θεσσαλονίκη με 0.74, με την προϋπόθεση της αφαίρεσης των περιπτώσεων εμφάνισης ως πρώτων στρωματώσεων, στρωμάτων σκόνης και καπνού. Για το Ηράκλειο, τα δεδομένα ακόμη και με αυτό τον περιορισμό παραμένουν με χαμηλή συσχέτιση. Στο τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζονται και ερμηνεύονται μερικώς τα παραπάνω συμπεράσματα που αφορούν την αξιολόγηση του CALIPSO ως προς τον υπολογισμό του ύψους του ΑΟΣ.
description: Τhe objective of the thesis is the comparison of the Planetary Boundary Layer (PBL) height derived from Level 2 aerosol layer data, obtained from CALIPSO satellite with PBL height from ECMWF model and Radiosonde profile data, for the period 01/06/2006-31/03/2011. Τhe analysis was carried out for three Greek cities, Thessaloniki, Athens and Heraklion. The first chapter consists of an introduction to the physics of the Planetary Boundary Layer and presents the basic methods of estimating its height. The second chapter considers the characteristics of the satellite CALIPSO and contains information regarding the technical description of the satellite’s Lidar system (Caliop), the transmitting, receiving and recording system, the calibration method, the export data algorithms and the data products of the satellite. The third chapter is a brief historical description of the ECMWF forecasting system and includes information about the forecasting and data assimilation system, the methodology and the code that ECMWF uses to calculate the PBL height. The methodology for validating the PBL height from CALIPSO, with ECMWF model and Radiosondes is analyzed in the fourth chapter. More especially the first layer that Caliop detects and corresponds to aerosols, is defined as the upper limit of the PBL height. CALIPSO data used in this study refer only to daily measurements (10:00-11:00 UTC). Subsequently, we rejected very thin layers (&lt;100 m) and aerosol layers aloft (with base higher than 300m and top higher than 6000 m). The PBL height from the ECMWF model is chosen in such a way as to correspond to the nearest satellite crossing point to each city at 12:00 UTC. The PBL height from Radiosondes is determined by the Bulk Richardson number (&gt; 0.25) and by the sharp increase of potential temperature and the sharp decrease of specific humidity. The Radiosonde data have been derived from the cities’ airport launches at 12:00 UTC. In the fifth chapter we present the results of the statistical analysis. Initially, Thessaloniki gave low correlation (0.45), while the other cities’ correlation was even smaller. It was concluded that the dispersion of measurements does not depend on the measuring point distance from the point of interest and the segregation of PBL over land or over sea do not influence the correlation. Moreover this separation involves great uncertainty. Afterwards, a limitation of the first layer height was introduced, from 6 to 3 km. This criterion didn’t improve the correlation, despite the fact that it has a physical significance, since PBL height is not defined above this level. Then we used a statistical limitation. The cases where satellite and ECMWF diverge over 50% were discarded and the correlations were improved significantly (for Heraklion 0.79, for Athens 0.75 and finally for Thessaloniki 0.74). The variations are mainly due to extreme-high measurements of Caliop and less due to outliers from the ECMWF. Comparing cases where ECMWF and satellite have small deviation (&lt;50%) with Radiosondes, we found out that the ECMWF has better correlation in Thessaloniki (0.54) and Heraklion (0.38). Unlike in Athens the satellite presents better correlation (0.67) with Radiosondes. In order to investigate the problem of poor initial correlation in Heraklion, 6 extreme cases have been analyzed. This investigation saw that in all cases Caliop detects layers of dust transported from Sahara and cannot distinguish lower layers. Finally, we concluded that if we remove the cases of layers detected as dust or smoke, CALIPSO and ECMWF present a remarkable correlation coefficient for Thessaloniki (0.82) and Athens (0.72). At Heraklion, even using this limitation, the data remain low correlated. The last chapter summarizes the upper mention conclusions concerning the evaluation of CALIPSO satellite in providing the PBL height.