Αξιολόγηση του αλγορίθμου αναγνώρισης των στρωματώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων στις μετρήσεις lidar
Creators: name: Φουντουκίδης, Παναγιώτης Αναστασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Στρώματα αιωρούμενων σωματιδίων
LTOOL
Single Calculus Chain
Aerosol layers

description: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση του αλγορίθμου Layering Tool (LTOOL), ο οποίος αποτελεί τμήμα του ευρωπαϊκού αλγορίθμου επεξεργασίας ενός σήματος lidar, Single Calculus Chain (SCC). Ο αλγόριθμος αυτός, βασιζόμενος στο μετασχηματισμό διακύμανσης (Wavelet Covariance Transformation, WCT), χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των στρωμάτων των αιωρούμενων σωματιδίων, αλλά και του ύψους του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος (PBL). Ο αλγόριθμος LTOOL μπορεί να αναγνωρίζει αυτοματοποιημένα περιοχές με σημαντικό φορτίο αερολύματος όπου η σύνθεση του αερολύματος αυτού είναι σταθερή, όσο αναφορά τα προφίλ των συντελεστών οπισθοσκέδασης ή εξασθένισης ενός συστήματος lidar. Ως αποτέλεσμα ο αλγόριθμος παρέχει τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά (βάση, κορυφή και κέντρο μάζας) των στρωμάτων αυτών. Για την αξιολόγηση του αλγορίθμου και της ευαισθησίας του στην αναγνώριση των στρωματώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς και την χρονική τους ομοιογένεια, έγινε επεξεργασία των μετρήσεων των οπτικών ιδιοτήτων των σωματιδίων από το σύστημα Lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ), του τμήματος Φυσικής, του ΑΠΘ (THELISYS). Διεξήχθησαν τρεις κύριες μελέτες για τον έλεγχο της ευαισθησίας του αλγορίθμου LTOOL. Η πρώτη σχετίζεται με τη μελέτη της ευαισθησίας του αλγορίθμου στον εντοπισμό στρωμάτων αιωρούμενων σωματιδίων, καθώς μεταβάλλεται ο συντελεστής διεύρυνσης (dilation value). Η μελέτη αυτή έγινε για τιμές του συντελεστή διεύρυνσης από 200 έως 800, με βήμα 100. Σκοπός ήταν ο προσδιορισμός μιας τιμής ή εύρους τιμών του συντελεστή διεύρυνσης, μεταξύ των οποίων θα επιλέγουν οι χρήστες του SCC, ώστε να γίνεται σωστός διαχωρισμός/χαρακτηρισμός των στρωμάτων. Η δεύτερη μελέτη αφορά τον έλεγχο την σταθερότητας την εύρεση της τυπικής απόκλισης των εντατικών (intensive) ιδιοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων (π.χ. λόγος Lidar, εκθέτης Angstrom οπισθοσκέδασης), εντός των στρωμάτων, καθώς και ολόκληρου του προφίλ της εκάστοτε ιδιότητας. Ο έλεγχος αυτός έγινε με τον υπολογισμό της τυπικής απόκλισης των εντατικών αυτών μεταβλητών στις δύο περιοχές μελέτης (εντός των στρωμάτων και ολόκληρου του προφίλ). Καθώς τα στρώματα των αερολυμάτων είναι περιοχές με ομοιογενή συγκέντρωση, περιμένουμε η τυπική απόκλιση των ιδιοτήτων αυτών να είναι μικρότερη εντός των στρωμάτων, σε σχέση με την τυπική απόκλιση ολόκληρου του προφίλ. Η τρίτη και τελευταία μελέτη ευαισθησίας του LTOOL αφορά τον προσδιορισμό της χρονικής, αλλά και χωρικής, εξέλιξης των στρωμάτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Για τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις από διάφορους σταθμούς του δικτύου EARLINET, για διάφορες ημέρες (case studies). Γενικά, ο αλγόριθμος αναγνώρισης των στρωματώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων (LTOOL) βρέθηκε ικανοποιητικός στο να εντοπίζει περιοχές στην ατμόσφαιρα με σημαντικό φορτίο αερολύματος
description: Aim of the thesis is the evaluation of the Layering Tool (LTOOL) algorithm. LTOOL is one of the modules of the European automatic lidar processing algorithm Single Calculus Chain (SCC). The LTOOL is based on the Wavelet Covariance Transformation (WCT) and is being applied to the lidar derived aerosol optical products in order to define the aerosol layers, and the top of the height of the Planetary Bounty Layer (PBL height), as well. Aim of the LTOOL is to automatically identify vertical regions of significant aerosol load where the aerosol composition is quite stable. As a result, the algorithm provides the geometrical properties (i.e., base, top and center of mass) of the identified layers. To evaluate the sensitivity of the algorithm, three main sensitivity studies have been conducted. For this analysis, measurements from Thessaloniki's Lidar system (THELISYS) were used. Firstly, a sensitivity study of the dilation value is conducted. It is important to quantify the effect of this value in the retrieval of the layer boundaries under different aerosol conditions and check whether a fixed value is applicable, or it will be let as a user defined option in the SCC database. In general, for rather small values of the dilation, signal noise dominates while; a too large dilation may not permit the discrimination of thin aerosol layers. Secondly, the stability of the aerosols' intensive properties (LR, AE and BAE) within the layer boundaries were tested. Thus, the standard deviation of the above-mentioned properties was calculated, for both inside the layers, and for the whole profile. Taking into consideration that the aerosol layers are homogenous regions, we expect the standard deviation of those parameters inside the layers to be lower than the one calculated for the whole profile. Lastly, the third sensitivity study is related to the specification of the temporal evolution of the aerosol layers. Thus, multiple measurements from different EARLINET stations, for specific days (case studies) were used. In general, the LTOOL algorithm seems to denote a good performance on detecting aerosol features in the atmosphere