Atmospheric profiling using the lidar technique

Show full item record



Permalink

http://hdl.handle.net/10138/316033
Title: Atmospheric profiling using the lidar technique
Author: Filioglou, Maria
Date: 2020-05
Belongs to series: Finnish Meteorological Institute Contributions 166
ISBN: 978-952-336-110-2
ISSN: 0782-6117
URI: http://hdl.handle.net/10138/316033
Abstract: Atmospheric aerosol particles absorb and scatter solar radiation, altering directly the radiation balance. Indirectly, these particles have a complex interplay in cloud formation, affecting cloud reflectivity and cloud lifetime. Apart from the climatic effects, atmospheric particles pose negative health effects and they reduce visibility with adverse effects in road traffic and aviation safety. To improve the understanding of the aerosol effect on climate four different studies have been conducted. The main instrument utilized to retrieve vertical profiles of the aerosols was a multi-wavelength PollyXT lidar. The hygroscopic effect of the aerosol particles in the retrieved optical properties which is relevant to cloud studies can be assessed using the water vapor capabilities of the lidar. Lidar water vapor retrieval requires initial calibration. An evaluation of the different lidar water vapor signal calibration techniques was performed to quantify the uncertainty in the retrieved water vapor profiles. Moreover, two measurement campaigns were held in Finland and the United Arab Emirates in order to characterize the properties of understudied aerosol types (pollen and Arabian dust). Lastly, the effectiveness of the different aerosol types to the formation of ice, water, or mixedphase clouds in the Arctic was determined using a synergy of a spaceborne lidar (CALIOP) and a cloud radar (CloudSat). The study on water vapor showed that accurate water vapor retrievals are subject to the calibration factor. Operational on-site radiosondes are the best option, but robust retrievals are possible using data from the nearest radiosonde site or modelled data. Satellite-derived water vapor profiles performed the poorest, yet they could serve as an option in the absence of better information. The analysis of the pollen observations showed that the classification of various pollen types is possible, although challenging. Characterization requires shape information from at minimum two linear particle depolarization wavelengths, as well as external information such as airmass backward trajectories to ensure that other non-spherical aerosol particles such as dust are not present over the measurement site. Regarding the Arabian dust optical properties, it was found that this aerosol type exhibits different optical properties, specifically concerning the lidar ratios, than the dust originating from the Saharan region. Consequently, the universal lidar ratio of 55 sr currently used in lidar-based applications may lead to biases for dust originating from the Arabian Peninsula. The Arctic study on aerosol-cloud interactions showed that higher aerosol load was associated with higher occurrence of mixed-phase clouds. On the contrary, moderate association was found with varying the aerosol type. Nevertheless, meteorology outweighed the aerosol load importance over less stable atmospheric conditions, for example, over open ocean. *** Tässä väitöskirjassa tutkittiin ilmakehän pienhiukkasten ominaisuuksia ja niiden vaikutusta pilviin hyödyntämällä useiden kaukokartoitusmenetelmien synergiaa. Tutkimuksessa käytettiin pääasiassa PollyXT–lidar-mittalaitetta. Tutkimus jakautui kolmeen kokonaisuuteen: 1) Arvioitiin eri kalibrointimenetelmien aiheuttamaa epävarmuutta lidar-mittauksiin pohjautuvissa vesihöyryprofiileissa. 2) Määritettiin Suomessa ja Yhdistyneissä arabiemiirikunnissa tehtyjen mittausten avulla siitepölyn ja aavikkopölyn optiset ominaisuudet. 3) Selvitettiin miten erilaiset pienhiukkastyypit vaikuttavat erityyppisten pilvien muodostumiseen Arktisella alueella hyödyntämällä satelliittipohjaisia lidar- (CALIOP) ja tutkahavaintoja (CloudSat). Vesihöyrytutkimus osoitti, että tarkat lidar-havainnot vesihöyrystä vaativat tarkan kalibroinnin muiden mittausten avulla. Parhaaseen tulokseen päästään käyttämällä radioluotauksia samalta asemalta mutta niiden puuttuessa voidaan käyttää myös radioluotauksia lähiseudulta tai mallinnettuja vesihyöryprofiileja. Heikoin tulos saatiin satelliittihavaintoja käyttämällä, mutta niistäkin on apua parempien tietolähteiden puuttuessa. Siitepölymittaukset osoittavat, että siitepölytyyppien tunnistaminen lidar-mittausten avulla saatavien optisten ominaisuuksien perusteella on mahdollista, vaikkakin haastavaa. Tyyppien tunnistamiseksi mittauksista täytyy saada tietoa hiukkasten muodosta, koosta sekä kyvystä absorboida valoa. Lisäksi pitää varmistaa, että havaintoja eivät ole häirinneet muut ei-pallomaiset hiukkaset, kuten aavikkopöly, käyttämällä tietoa ilmamassojen kulkureiteistä. Mittaukset Arabian niemimaan aavikkopölystä paljastivat, että sen optiset ominaisuudet poikkeavat Saharan pölystä, etenkin lidarsuhteen osalta. Täten lidar-mittausten analyyseissa usein käytetty lidarsuhde aavikkopölylle ei vastaa Arabian niemimaan aavikkopölyä. Tutkimus pienhiukkasten ja pilvien vuorovaikutuksesta Arktisella alueella osoitti, että pienhiukkasten määrän kasvaessa pilvet, jotka sisältävät sekä vettä että jäätä, lisääntyvät. Pienhiukkastyypin vaikutus pilviin oli huomattavasti pienempi. Sen sijaan ilmakehän ollessa epävakaa, esimerkiksi avomeren päällä, pilvien ominaisuudet riippuivat enemmän ilmakehän virtauksista kuin pienhiukkasten pitoisuudesta tai tyypistä.
Subject: Kaukokartoitus
Aerosolit
Pilvet
Satelliitit


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Thesis_Maria_Filioglou.pdf 12.94Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record