Characterization of atmospheric pollen with active remote sensing

Show full item record



Permalink

http://hdl.handle.net/10138/334238
Title: Characterization of atmospheric pollen with active remote sensing
Author: Bohlmann, Stephanie
Publisher: Ilmatieteen laitos - Finnish Meteorological Institute
Date: 2021-09
Language: en
Belongs to series: Finnish Meteorological Institute Contributions 175
ISBN: 978-952-336-138-6
ISSN: 0782-6117
URI: http://hdl.handle.net/10138/334238
Abstract: Atmospheric pollen is a well-known health threat causing allergy-related diseases. As a biogenic aerosol, pollen also affects the climate by directly absorbing and scattering solar radiation and by acting as cloud condensation or ice nuclei. A good understanding of pollen distribution and transport mechanisms is needed to evaluate the environmental and health impacts of pollen. However, pollen observations are usually performed close to ground and vertical information, which could be used to evaluate and improve pollen transport models, is widely missing. In this thesis, the applicability of lidar measurements to detect pollen in the atmosphere is investigated. For this purpose, measurements of the multiwavelength Raman polarization lidar PollyXT at the rural forest site in Vehmasmäki (Kuopio), Eastern Finland have been utilized. The depolarization ratio was identified to be the most valuable optical property for the detection of atmospheric pollen, as nonspherical pollen like pine and spruce pollen causes high depolarization ratios. However, detected depolarization ratios coincide with typical values for dusty mixtures and additional information such as backward trajectories need to be considered to ensure the absence of other depolarizing aerosols like dust. To separate pollen from background aerosol, a method to estimate the optical properties of pure pollen using lidar measurements was developed. Under the assumption that the Ångström exponent of pure pollen is zero, the depolarization ratio of pure pollen can be estimated. Depolarization ratios for birch and pine pollen at 355 and 532 nm were determined and suggested a wavelength dependence of the depolarization ratio. To further investigate this wavelength dependence, the possibility to use depolarization measurements of Halo Doppler lidars (1565 nm) was explored. In the lower troposphere, Halo Doppler lidars can provide reasonable depolarization values with comparable quality to PollyXT measurements. Finally, measurements of PollyXT and a Halo StreamLine Doppler lidar were used to determine the depolarization ratio at three wavelengths. A wavelength dependence of the particle depolarization ratio with maximum depolarization at 532 nm was found. This could be a characteristic feature of non-spherical pollen and the key to distinguish pollen from other depolarizing aerosol types.Ilmakehän siitepölyt vaikuttavat sekä ihmisten terveyteen allergisten sairauksien kautta, että biogeenisenä aerosolina ilmastoon absorpoimalla sekä sirottamalla auringon säteilyä ja toimimalla tiivistymisytiminä pilville tai jääkiteille. Jotta siitepölyjen terveys- ja ympäristövaikutuksia voitaisiin ymmärtää paremmin, tarvitaan tietoa siitepölyn jakautumisesta sekä kulkeutumismekanismeista. Yleensä siitepölyjä havainnoidaan kuitenkin vain maan tasalla, eikä siitepölyjen pystysuuntaisesta jakautumisesta ole mitattua tietoa. Tätä tietoa voitaisiin kuitenkin hyödyntää siitepölyjen kulkeutumismallien verifioinnissa sekä kehittämisessä. Tässä työssä tarkastellaan lidar-mittausten käytettävyyttä siitepölyn havaitsemiseen ilmakehässä. Tätä varten hyödynnettiin usean aallonpituuden Raman-polarisaatio PollyXT lidaria, joka sijaitsee Vehmasmäen mittausasemalla Kuopiossa. Depolarisaation huomattiin olevan hyödyllisin optinen ominaisuus siitepölyjen tunnistamiseen, sillä ei-pallomaiset siitepölyhiukkaset aiheuttavat suuren depolarisaatio-signaalin. Havaitut depolarisaatioarvot ovat kuitenkin tyypillisiä myös aavikkopölylle, joten näiden erottamiseksi tulee tarkastella esimerkiksi mitatun ilmamassan kulkeutumista jotta voidaan poissulkea muiden vahvasti polarisoivien aerosolien esiintyminen. Siitepölyn erottamiseksi ilmakehän muista tausta-aerosoleista kehitettiin menetelmä jolla voidaan arvioida pelkän siitepölyn optisia ominaisuuksia lidar-mittauksista. Oletettaessa Ångströmin eksponentin olevan nolla siitepölylle, voidaan siitepölyn aiheuttama depolarisaatio arvioida. Menetelmällä arvioitiin depolarisaatio-arvot männyn ja kuusen siitepölylle 355 nm:n ja 532 nm:n aallonpituuksilla ja havaittiin selkeä aallonpituusriippuvuus depolarisaation suhteen. Tämän riippuvuussuhteen syvempää tarkastelua varten selvitettiin mahdollisuuksia Halo Doppler lidareiden depolarisaatio-mittausten (1565 nm aallonpituus) käyttöön. Alemmassa troposfäärissä Halo Doppler lidarit voivat tuottaa luotettavia depolarisaatio-mittauksia verraten PollyXT- mittauksiin. Viimeisessä vaiheessa hyödynnettiin depolarisaatio-mittauksia PollyXT:stä ja Halo StreamLine Doppler lidarista kolmella aallonpituudella. Tutkimuksessa havaittiin sekä depolarisaation aallonpituusriippuvuus että suurin depolarisaatio 532 nm:n aallonpituudella. Tämä voi olla eipallomaisen siitepölyjen tunnistettava ominaisuus ja avain siitepölyjen erottamiseen muista vahvasti polarisoivista aerosoleista.
Subject: siitepöly
aerosoli
lidar
kaukokartoitus
pollen
aerosol
remote sensing


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Dissertation_Stephanie_Bohlmann.pdf 5.246Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record