Remote Sensing of Aerosols: Applications for Air Quality and Climate Studies

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7091-09-8
Title: Remote Sensing of Aerosols: Applications for Air Quality and Climate Studies
Author: Sundström, Anu-Maija
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Ilmakehätieteiden osasto
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Atmospheric aerosol particles affect public health, environment, weather and climate in various ways, and therefore the importance on obtaining information about their spatial and temporal variation is evident. Remote sensing measurements have particular capability to provide broad horizontal and/or vertical view on the ambient aerosol field from local to global scales. They also can provide observations over remote areas where carrying out in situ measurements is not possible. The aim of this Thesis, is to explore both ground-based and spaceborne remote sensing measurement techniques for monitoring aerosol particles, and their applications on air quality as well as climate studies. In the first part of this Thesis the potential of a ground-based ceilometer-type lidar to be used as an aerosol measurement device is investigated. Ceilometers are originally designed for observing cloud heights, and at the time of the study they were not commonly used to monitor aerosols. The results obtained in this study indicate that the absolute accuracy of a ceilometer-type lidar is sufficient for quantitative aerosol measurements in some applications. The first study using an improved version of the AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer) satellite algorithm shows that aerosol optical depth (AOD) can be retrieved with sufficient accuracy over Eastern China, where the aerosol conditions are highly variable and therefore challenging from the satellite remote sensing point of view. In addition, the improved version of the algorithm provides also valuable information about the fine mode particle contribution to the total AOD. The satellite based AOD data is also used to evaluate the performance of a coupled climate-aerosol model. The comparison of ECHAM5-HAM model and satellite-based AOD (from MODerate Imaging Spectroradiometer) showed that, with few exceptions, the model reproduced relatively well the spatiotemporal variation of AOD over India and China. In this Thesis it is also shown that satellite data can be used to derive such climatically relevant quantities that are not directly available in common retrieval products (such as e.g. AOD). By combining coincident observations from two different satellite instruments, an observation-based estimate of the clear-sky shortwave aerosol direct radiative effect ADRE (at the top of the atmosphere) can be established. Results of the case study over Eastern China show that, overall, the satellite-based estimates of ADRE, aerosol-free fluxes, and their spatial variation are in agreement with model-based values.Ilmakehässä olevat aerosolihiukkaset vaikuttavat ihmisten terveyteen, ympäristöön, säähän ja ilmastoon monin eri tavoin. Tästä syystä aerosolihiukkaspitoisuuksien alueellisesta ja ajallisesta vaihtelusta on tärkeä saada monipuolista havaintotietoa. Kaukokartoituksella tarkoitetaan mittausta jossa kohdetta havainnoidaan mittalaitteella välimatkan päästä. Kaukokartoitusmittausten etuna on laaja alueellinen ja/tai pystysuuntainen kattavuus. Kaukokartoitusmittauksia käyttäen voidaan havainnoida myös ilmakehän aerosolihiukkasia ja saada maailmanlaajuisesti tietoa niiden pitoisuuksista sekä pystysuuntaisesta jakaumasta, myös sellaisilta alueilta joissa havaintojen tekeminen paikan päällä olisi mahdotonta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia sekä avaruudesta että maanpinnalta tehtäviä aerosolien kaukokartoitusmittauksia sekä niiden soveltamista ilmanlaatu- ja ilmastotutkimuksessa. Työn ensimmäisessä osassa tutkittiin alun perin pilvenkorkeuden mittaamiseen tarkoitetun ceilometrin soveltuvuutta aerosolipitoisuuksien havainnointiin maanpinnalla. Tulokset osoittivat että tietyissä sovelluksissa ceilometristä voidaan saada kvantitatiivista tietoa aerosoleista. Ensimmäinen tutkimus jossa käytettiin parannettua versiota Advanced Along Track Scanning Radiometer-satelliitti-instrumentin aerosoli-algoritmista osoitti että kyseisellä instrumentilla voidaan saada luotettavaa tietoa Kiinan aerosolihiukkasten alueellisesta jakaumasta sekä pitoisuuksien vuodenaikaisvaihtelusta. Satelliittikaukokartoituksen näkökulmasta Aasia on yleisesti haastava tutkimusalue koska siellä sekä aerosolihiukkasten pitoisuudet että niiden koostumus voivat vaihdella alueellisesti paljon. Tässä työssä näytettiin myös että yhdistelemällä samanaikaista tietoa eri satelliitti-instrumenteista voidaan saada havaintoihin perustuvaa tietoa sellaisista ilmastonmuutoksen kannalta tärkeistä parametreista, jotka yleensä perustuvat mallilaskelmiin. Tulokset osoittivat että Kiinassa aerosolihiukkasten suora säteilyvaikutus on keskimäärin ilmastoa viilentävä ja että kaukokartoitushavaintoihin perustuva arvio on yhtenevä ilmastomalleista saatujen tulosten kanssa. Satelliiteista saatavia aerosolihavaintoja voidaan käyttää myös arvioimaan ilmastomallien toimivuutta. Tässä työssä yhdistetyn ilmasto-aerosolimallin (ECHAM5-HAM) antamia tuloksia aerosolin optiselle paksuudelle verrattiin satelliittihavaintoihin Intiassa ja Kiinassa. Tulokset osoittivat että ECHAM5-HAM- malli pystyi tuottamaan verrattaen hyvin satelliitista havaitun aerosolihiukkasten alueellisen vuodenaikaisvaihtelun.
URI: URN:ISBN:978-952-7091-09-8
http://hdl.handle.net/10138/144091
Date: 2014-12-10
Subject: meteorologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
remotese.pdf 4.836Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record