Διερεύνηση παραγόντων που επηρεάζουν την αξιολόγηση της ολικής στήλης όζοντος από δορυφόρους
Creators: name: Ζάρα, Μαρίνα Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Oλικό όζον
Aξιολόγηση
Δορυφορική τηλεπισκόπηση
Total ozone
Validation
Satellite remote sensing

description: Η αξιολόγηση της ολικής στήλης του όζοντος μέσω δορυφορικών οργάνων, όπως SCIAMACHY/Envisat, OMI/Aura, GOME-2/MetOp-A, σε σύγκριση με αντίστοιχες μετρήσεις από τα φασματοφωτόμετρα Dobson και Brewer παραμένει μια συνεχής προσπάθεια εδώ και δεκαετίες. Οι περισσότεροι σύγχρονοι δορυφορικοί αλγόριθμοι έχουν οδηγήσει τα δορυφορικά και επίγεια όργανα σε μια παγκόσμια συμφωνία γύρω από το επιθυμητό ποσοστό του ±1%. Ωστόσο, διαφοροποιήσεις στα κριτήρια επιλογής δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων, στην επιλογή επίγειων σταθμών και στην επεξεργασία των ανακτημένων ολικών στηλών όζοντος μπορούν να επηρεάσουν τις συγκρίσεις των οργάνων ποικιλοτρόπως. Στην παρούσα διπλωματική ως δορυφορικά δεδομένα ολικής στήλης όζοντος χρησιμοποιήθηκαν οι μετρήσεις ολικού όζοντος μέσω του αλγορίθμου GODFIT_v3 από τα όργανα SCIAMACHY/Envisat, OMI/Aura, GOME -2/MetOp-A, στα πλαίσια του προγράμματος Ozone-CCI της ESA, και μέσω του αλγορίθμου GDP 4.7 από το όργανο GOME-2/MetOp-A, στα πλαίσια του προγράμματος O3Μ-SAF της EUMETSAT. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ένας διαχωρισμός των φασματοφωτομέτρων Brewer σε μονούς και διπλούς μονοχρωμάτορες για τη διαδικασία αξιολόγησης. Τα επίγεια δεδομένα ολικής στήλης όζοντος λήφθηκαν από τη βάση του Παγκόσμιου Κέντρου Όζοντος και Υπεριώδους Ακτινοβολίας, WOUDC. Όταν ένας επίγειος σταθμός φιλοξενεί και τους δύο τύπους του φασματοφωτομέτρου Brewer, συνηθίζεται οι ολικές στήλες όζοντος που ανακτώνται από τα συγκεκριμένα όργανα να θεωρούνται ίδιες και λαμβάνεται ο μέσος όρος τους. Πέρα των προβλέψεων, ο διαχωρισμός των δεδομένων ολικού όζοντος από τα όργανα Brewer σε δύο υποσύνολα σύμφωνα με τον τύπο του οργάνου οδηγεί σε μία σχεδόν πανομοιότυπη μορφή των διαγραμμάτων που περιγράφουν τη διαφορά των μετρήσεων όζοντος από το έδαφος κι από το διάστημα μεταξύ των δύο επίγειων οργάνων, μορφή όμοια με εκείνη που προκύπτει στην περίπτωση ενιαίας βάσης δεδομένων από τα Brewer. Ωστόσο, η τυπική απόκλιση που εμφανίζεται στους μονούς παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερες τιμές από εκείνες του διπλού μονοχρωμάτορα. Στο δεύτερο σκέλος της εργασίας, η διερεύνηση πάνω σε χωρικά κριτήρια επιλογής ζευγών δορυφορικών και επίγειων μετρήσεων της ολικής στήλης του όζοντος οδήγησε στο συμπέρασμα πως για τους επιλεγόμενους επίγειους σταθμούς σε μηνιαία και εποχιακή βάση η ατμοσφαιρική κυκλοφορία και η μεταβλητότητά της δεν επηρεάζουν την αξιολόγηση είτε επιλεχθεί η πλησιέστερη στον επίγειο σταθμό δορυφορική μέτρηση όζοντος μέσα σε ακτίνα 150 χιλ. γύρω από τον σταθμό είτε η μέση τιμή των δορυφορικών μετρήσεων μέσα στην εν λόγω ακτίνα. Ωστόσο, μελετώντας το πρόβλημα σε ημερήσια βάση, διαπιστώνεται πως τα αποτελέσματα διαφοροποιούνται για συγκεκριμένες ζώνες γεωγραφικού πλάτους. Στη διερεύνηση των χρονικών κριτηρίων χρησιμοποιήθηκαν στιγμιαίες μετρήσεις ολικής στήλης όζοντος από το φασματοφωτόμετρο Brewer της πόλης της Θεσσαλονίκης στην Ελλάδα, αντί των δεδομένων του κέντρου WOUDC, καθώς αυτά καταχωρούνται ως μέσες ημερήσιες τιμές. Υπολογίστηκε η μέση τιμή του ολικού όζοντος γύρω από την ώρα περάσματος των τριών δορυφορικών οργάνων πάνω από τη Θεσσαλονίκη. Για τους δορυφόρους που περνούν τις πρωινές ώρες της ημέρας [ΕΝVISAT &amp; MetOp-A] οι σχετικές διαφορές τιμών ολικού όζοντος μεταξύ δορυφορικών και επίγειων οργάνων τείνουν σε πιο αρνητικές τιμές σε μηνιαία και εποχιακή βάση, με την τυπική απόκλιση ελαφρώς να μικραίνει, ιδιαίτερα την ψυχρή περίοδο, αλλά με τη μέση διαφορά ελαφρώς να μεγαλώνει. Ωστόσο, για τον απογευματινό δορυφόρο Aura, οι αντίστοιχες σχετικές διαφορές γίνονται λιγότερο αρνητικές. Μεταξύ των μετρήσεων ολικού όζοντος του ΟΜΙ και του μονοχρωμάτορα Brewer παρατηρείται μια σχετικά σταθερή διαφορά, με το δορυφορικό όργανο να υποεκτιμά την ολική στήλη του όζοντος σε εποχιακή βάση. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την ημερήσια μεταβλητότητα του τροποσφαιρικού όζοντος κατά τη διάρκεια της θερμής περιόδου πάνω από την αστική περιοχή όπου είναι τοποθετημένο το Brewer, υποδηλώνοντας τη σταθερή και ανεξάρτητη εποχικότητας συμπεριφορά του ΟΜΙ. Στο τελευταίο σκέλος της διπλωματικής, πραγματοποιήθηκε επεξεργασία του ολικού όζοντος από το φασματοφωτόμετρο Dobson με σκοπό να αντιμετωπιστεί η γνωστή εξάρτηση των οργάνων Dobson από την ενεργό θερμοκρασία. Επιλέχθηκαν και διερευνήθηκαν δύο διαφορετικές ενεργές θερμοκρασίες: η μία αποτελεί προϊόν του δορυφορικού αλγορίθμου GODFIT_v3 και η δεύτερη ενός μοντέλου πρόβλεψης καιρού μέσης κλίμακας της βάσης ECMWF. Όπως ήταν αναμενόμενο, παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση στις συγκρίσεις του δορυφορικού ολικού όζοντος και του «διορθωμένου» από το όργανο Dobson. Για ορισμένες ζώνες γεωγραφικού πλάτους, οι συγκρίσεις αυτές πλησιάζουν αισθητά εκείνες που παρατηρούνται μεταξύ του δορυφόρου και του φασματοφωτομέτρου Brewer.
description: The validation of total ozone columns [TOCs] observed by satellite instruments such as SCIAMACHY/Envisat, OMI/Aura and GOME -2/MetOp-A against Dobson and Brewer spectrophotometers has been a continuous effort in the previous decades. Most modern satellite algorithms have resulted in a global agreement between satellite and ground around the desired ±1%. However, differences in collocation criteria, choice of ground-based stations and post-processing/post-correcting of the retrieved TOCs may affect the resulting comparisons in more than one ways. In this work, using the SCIAMACHY/Envisat, OMI/Aura and GOME -2/MetOp-A GODFIT_v3 Ozone-CCI ESA- and GOME-2/MetOp-A GDP 4.7 EUMETSAT O3M SAF TOC datasets as the satellite standard, we initially distinguished between single and double Brewer instruments for the validation process. The ground-based TOCs used in this study have been extracted from the World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Center, WOUDC, database. Typically, if a location hosts more than one type of Brewer, these daily mean TOC values are assumed identical and are averaged. Against most expectations, the separation of the Brewer station pool into two datasets results in an almost identical TOC difference pattern for each type of Brewer, as for combining and averaging the two types, with the single Brewer showing significantly higher standard deviation values than the double one. Secondly, the investigation on the spatial collocation criteria showed that the atmospheric variability on a monthly and a seasonal basis for the stations chosen doesn't depend on whether one chooses the closest ground-to-satellite pixel within 150 km from the station or the mean satellite observations within the same radius. However, when viewing the daily comparisons, this might not be the case for certain latitudinal bands. Concerning the temporal collocation criteria, which are typically non-existent since the WOUDC reported TOCs are daily means, we have used instantaneous measurements from the Brewer located in Thessaloniki, Greece. The mean TOC measured around the overpass times of the three satellite instruments was calculated for the equivalent years. It was found that for the morning satellites [ENVISAT &amp; MetOp-A] the relative differences curve between the space-borne and ground instruments is shifted towards more negative values in a monthly and a seasonal basis, with the standard deviation slightly improving, especially during the cold period, yet the mean difference is slightly worsening. However, for the afternoon overpass of Aura, the respective relative differences become less negative. An almost constant bias between OMI and Brewer can be seen with OMI underestimating total ozone column on a seasonal basis which might point to the diurnal variability of tropospheric ozone during the warm months over the urban location of the Brewer, implying the consistent and independent of seasonality behavior of OMI. Finally, a post-processing of the Dobson TOCs was performed in order to compensate for the well-known effective temperature dependency of the Dobson instruments. Two different effective temperatures were investigated; one provided by the GODFIT_v3 algorithm and one by the ECMWF. As expected, a significant improvement in the satellite-to-Dobson TOC comparisons is found, much closer to the comparisons seen by the Brewer spectrophotometers, for certain latitudinal bands.