Αξιολόγηση Κλιματολογικών Δεδομένων Αερολυμάτων από Δορυφορικές Παρατηρήσεις για τη Λεκάνη της Μεσογείου

Από RemoteSensing Wiki

Aξιολόγηση κλιματολογικών δεδομένων αερολυμάτων από δορυφορικές παρατηρήσεις για τη λεκάνη της μεσογείου

Συγγραφείς: Κ. Α. Μυρωνάκης, Ν. Χατζηαναστασίου, Β. Δ. Κατσούλης

Πηγή: Εργαστήριο Μετεωρολογίας, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

Στόχος

Στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση δορυφορικών δεδοµένων προκειµένου να µελετηθεί η γεωγραφική και χρονική κατανοµή του οπτικού πάχους των αερολυµάτων επάνω από την ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου.

Ιδιότητες αερολυμάτων

Τα αερολύµατα, στερεά και υγρά σωµατίδια µικροσκοπικών διαστάσεων αιωρούµενα µέσα στην ατµόσφαιρα, είναι πολύ σηµαντικά για την ισορροπία του κλίµατος του συστήµατος Γης-ατµόσφαιρας. Αυτά, εµπλέκονται σε πολύπλοκες αµφίπλευρες αλληλεπιδράσεις µε άλλες ατµοσφαιρικές παραµέτρους, π.χ. αέρια ή νέφη, ενώ µεταβάλλουν το πεδίο της ακτινοβολίας ουσιωδώς, ώστε να καθιστούν απαραίτητη τη συµπερίληψή τους σε κάθε µελέτη σχετική µε το κλίµα (IPCC, 2001). Τα αερολύµατα αλληλεπιδρούν µε την ακτινοβολία τόσο µε άµεσο τρόπο (direct effect) όσο και µε έµµεσο τρόπο (indirect effect), δηλαδή διαµέσου των νεφών, προκαλώντας συνολικά και σε πλανητική κλίµακα ένα φαινόµενο ψύξης, το οποίο αντισταθµίζει, τουλάχιστον µερικώς, το φαινόµενο της θέρµανσης που προκαλείται από την αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων που είναι υπεύθυνα για το φαινόµενο του θερµοκηπίου (Hatzianastasiou et al.,2004). Μάλιστα, σε τοπικό επίπεδο, η επίδραση των αερολυµάτων στη ακτινοβολία µπορεί να είναι και µεγαλύτερη από αυτήν των αερίων του φαινοµένου του θερµοκηπίου. Ωστόσο, παρά τη µεγάλη σηµασία τους για το κλίµα, τα αερολύµατα εµπεριέχουν µεγάλη αβεβαιότητα σε ό,τι αφορά στις φυσικές διαδικασίες που σχετίζονται µε αυτά, έτσι ώστε οι υπάρχουσες εκτιµήσεις που τα αφορούν να έχουν βαθµό αβεβαιότητας που φθάνει να είναι της ίδιας τάξεως µεγέθους µε το απόλυτο µέγεθός τους (IPCC, 2001). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση µε τα αέρια του φαινοµένου του θερµοκηπίου, τα αερολύµατα έχουν πολύ µεγάλη µεταβλητότητα ως προς το χώρο και το χρόνο, έχοντας χρόνο παραµονής στην ατµόσφαιρα που κυµαίνεται από 10-4 ηµέρες µέχρι µερικές δεκάδες, για τα αερολύµατα φυσικής και ανθρωπογενούς προέλευσης, αντίστοιχα. Το γεγονός αυτό δηµιουργεί ιδιαίτερες δυσκολίες σε ό,τι αφορά στη διαδικασία παρατήρησης και µέτρησης των αερολυµάτων και προσδιορισµού των ιδιοτήτων τους.

Μέθοδοι παρατήρησης και τα αντίστοιχα προβλήματα

Οι µέθοδοι επίγειας παρατήρησης αερολυµάτων, παρότι συνεισφέρουν σηµαντικά στην κατανόηση και µελέτη των φυσικοχηµικών τους ιδιοτήτων έχουν φυσικό περιορισµό σχετικά µε τη χωρική τους κάλυψη. Αντίθετα, µε τη χρήση δορυφορικών παρατηρήσεων. υπάρχουν προβλήµατα, διότι η παρατήρηση των αερολυµάτων που έχουν µικρό οπτικό πάχος είναι δύσκολη, ιδιαίτερα πάνω από περιοχές µε µεγάλη ανακλαστικότητα (επιφάνειες ξηράς και ιδιαίτερα χιονιού ή πάγου) σε αντίθεση µε ό,τι συµβαίνει µε τις θαλάσσιες επιφάνειες. Έτσι, ο προσδιορισµός των ιδιοτήτων των αερολυµάτων πάνω από ξηρά αποτελούσε ένα πρόβληµα µέχρι πρόσφατα. Εντούτοις, από τα τέλη της δεκαετίας του 1990 η κατάσταση έχει βελτιωθεί ραγδαία µε την ανάπτυξη σύγχρονων διαστηµικών πλατφορµών παρατήρησης (π.χ. Terra, Aqua) που φέρουν εξελιγµένα ραδιόµετρα (π.χ. Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer, MODIS, Polarization and Directionality of the Earth’s Reflectance, POLDER) µε ικανότητα φασµατικών µετρήσεων. Υπάρχει µια ανάγκη αποτίµησης των ιδιοτήτων των αερολυµάτων σε κλιµατολογική βάση. Αυτό έχει αντιµετωπιστεί εν µέρει, µε την ανάπτυξη αλγορίθµων διαµέσου των οποίων ανευρίσκονται ιδιότητες, όπως το οπτικό βάθος των αερολυµάτων, βασισµένες σε σειρές δορυφορικών µετρήσεων έντασης ακτινοβολίας οι οποίες είχαν αρχικά προγραµµατισθεί και ληφθεί για άλλους ερευνητικούς σκοπούς (π.χ. παρατήρηση όζοντος). Έτσι, στα πλαίσια του προγράµµατος Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) υπάρχουν διαθέσιµα δεδοµένα οπτικού πάχους αερολυµάτων για τη χρονική περίοδο 1979-1992. Επιπλέον, στα πλαίσια του προγράµµατος Global Aerosol Climatology Project (GACP) της National Aeronautic and Space Administration (NASA), είναι διαθέσιµη µια κλιµατολογική βάση δεδοµένων οπτικού βάθους αερολυµάτων για τα έτη 1983-2001.

∆εδοµένα και Μεθοδολογία

Για τις ανάγκες της εργασίας χρησιµοποιήθηκαν µέσες µηνιαίες τιµές του οπτικού πάχους αερολυµάτων για την ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου, οι οποίες ελήφθησαν από τις βάσεις δεδοµένων των TOMS και GACP, ενώ για την επαλήθευση τους χρησιµοποιήθηκαν µετρήσεις από το δίκτυο AERONET. Το AERONET.είναι ένα παγκόσµιο δίκτυο επίγειας παρατήρησης αερολυµάτων (Aerosol Robotic Network, AERONET, Holben et al., 2001), στο οποίο περιλαµβάνονται σταθµοί οι οποίοι βρίσκονται στον ευρύτερο χώρο της Μεσογείου

Τα δεδοµένα του TOMS

Για τον εντοπισµό και τον χαρακτηρισµό των αερολυµάτων (Herman et al., 1997; Torres et al., 1998), εφαρμόζεται μια συγκεκριµένη τεχνική, που κάνει χρήση δορυφορικών µετρήσεων ακτινοβολίας στη φασµατική περιοχή λ=0.33-0.38µm (κοντινό υπεριώδες), οι οποίες ελήφθησαν από το όργανο TOMS το οποίο είναι τοποθετηµένο στους δορυφόρους Nimbus-7 (1979-1992) και Earth Probe (1996-σήµερα) της NASA. Ταυτόχρονα, έχει αναπτυχθεί µια αντίστοιχη τεχνική ανεύρεσης του οπτικού πάχους των αερολυµάτων στο ορατό µήκος κύµατος του λ=0.55µm, χρησιµοποιώντας τη θεωρητική φασµατική εξάρτηση του οπτικού πάχους των αερολυµάτων που περιέχουν τα χρησιµοποιούµενα µοντέλα αερολυµάτων στον αλγόριθµο. Τα αποτελέσµατα της εφαρµογής του αλγορίθµου ανεύρεσης δίδονται στο λ=0.38µm, ενώ η εφαρµογή του αλγόριθµου έγινε στα δεδοµένα TOMS-στάθµη 2, τα οποία έχουν χωρική ανάλυση στο ναδίρ ίση περίπου µε 50kmx50km, η οποία µε την αύξηση της ζενίθειας γωνίας του Ήλιου γίνεται ίση µε 200kmx200km. Στην παρούσα µελέτη, χρησιµοποιήθηκαν δεδοµένα οπτικού πάχους αερολυµάτων σε ανάλυση 2.5οx2.5ο (~280kmx280km) σε µέση µηνιαία κλίµακα για τη χρονική περίοδο 1979-1992.

Τα δεδοµένα του GACP

Κατά τη διάρκεια της πρώτης φάσης του GACP δηµιουργήθηκε µια 20ετής κλιµατολογική βάση δεδοµένων από δορυφορικές παρατηρήσεις, από µετρήσεις πεδίου και από αποτελέσµατα µοντέλων. Πιο συγκεκριµένα, έχουν αξιολογηθεί ποιοτικά και είναι διαθέσιµα µέσω του διαδικτύου δεδοµένα οπτικού πάχους και εκθετικού συντελεστή Angstrom των αερολυµάτων για τη χρονική περίοδο από τον Ιούλιο του 1983 έως το Σεπτέµβριο του 2001. Τα δεδοµένα οπτικού πάχους αερολυµάτων στα λ=0.55µm είναι διαθέσιµα σε χωρική ανάλυση 1οx1ο (περίπου 100km x 100km) και σε µέση µηνιαία βάση.

Τα δεδοµένα των Σταθµών του ∆ικτύου AERONET

To AERONET είναι ένα δίκτυο φασµατοφωτοµέτρων CIMEL (Torres et al., 2002; Holben et al., 1999), τα οποία πραγµατοποιούν φασµατικές µετρήσεις του οπτικού πάχους αερολυµάτων. Οι µετρήσεις λαµβάνονται ανά 15 λεπτά σε 8 µήκη κύµατος (λ=0.34, 0.38, 0.44, 0.5, 0.67, 0.87, 0.94 και 1.02µm). Εκτός από το οπτικό πάχος, εξάγονται επίσης, η φασµατική κατανοµή του µεγέθους των αερολυµάτων, καθώς και ο δείκτης διάθλασής τους. Από το σύνολο των Σταθµών του AERONET, στην παρούσα µελέτη χρησιµοποιήθηκαν δεδοµένα που προέρχονται από 15 Σταθµούς, οι οποίοι βρίσκονται στην ευρύτερη λεκάνη της Μεσογείου. ∆εν υπάρχουν δεδοµένα AERONET που να καλύπτουν τη χρονική περίοδο πριν από το Μάιο του 1993. Αυτό καθιστά αδύνατη την απευθείας επαλήθευση των δεδοµένων του οπτικού πάχους των αερολυµάτων από τη βάση δεδοµένων του TOMS. Έτσι, η επαλήθευση των δεδοµένων αυτών πραγµατοποιείται κατ’ανάγκην σε επίπεδο ακρίβειας µέσης κλιµατολογικής βάσης, δηλαδή συγκρίνονται οι υπολογισµένες µέσες µηνιαίες τιµές του οπτικού πάχους των αερολυµάτων, όπως αυτές εξήχθησαν από το σύνολο των ετών που υπάρχουν διαθέσιµα δεδοµένα. Επίσης, στην παρούσα µελέτη χρησιµοποιήθηκαν τα δεδοµένα του οπτικού πάχους των αερολυµάτων στάθµης 2, τα οποία είναι ελεύθερα νεφών (cloud screened) και είναι αυτά µε τη τελειότερη ποιότητα και όχι τα δεδοµένα στάθµης 1 ή 1.5, τα οποία είναι κατώτερης ποιότητας.

Υπολογίστηκαν οι µέσες τιµές του οπτικού πάχους για κάθε µήνα, από το σύνολο των ετών µε διαθέσιµα δεδοµένα, για την ευρύτερη περιοχή της λεκάνης της Μεσογείου και της Ευρώπης.Πρέπει να επισηµανθεί : α) το GACP παρέχει δεδοµένα τ0.55µm µόνον πάνω από θαλάσσιες περιοχές και όχι πάνω από ξηρά, και β) υπάρχουν σηµαντικές διαφορές σε ό,τι αφορά στις τιµές. τ0.55µm πάνω από τη λεκάνη της Μεσογείου, όπως αυτές προκύπτουν από τις δύο βάσεις δεδοµένων TOMS και GACP (Εικόνα 1α,1β). Τα δυο γεγονότα αποδίδονται στους διαφορετικούς αλγορίθµους ανεύρεσης του ορατού οπτικού πάχους αερολυµάτων που χρησιµοποιούν οι δυο βάσεις δεδοµένων.

Συµπεράσµατα

Χρησιµοποιώντας δεδοµένα που καλύπτουν τη χρονική περίοδο από το 1979 έως και το 2001, έγιναν φανερά τα εξής χαρακτηριστικά: i) το οπτικό πάχος των αερολυµάτων είναι γενικά, µεγαλύτερο πάνω από τις παρακείµενες ηπειρωτικές εκτάσεις που βρέχονται από τη Μεσόγειο σε σχέση µε την ίδια τη θάλασσα της Μεσογείου, ii) οι τιµές οπτικού πάχους κατά κανόνα, είναι µεγαλύτερες το θέρος σε σχέση µε το χειµώνα, iii) κατά τη διάρκεια της άνοιξης λαµβάνει χώρα σηµαντική µεταφορά σωµατιδίων σκόνης από τη Βόρεια Αφρική και τη Μέση Ανατολή επάνω από εκτεταµένες περιοχές της Μεσόγειου, µε κυριότερη αυτήν της Κεντρικής Μεσόγειου (µεταξύ Ιταλίας και Αλγερίας-Μαρόκου) και δευτερευόντως, της λεκάνης της ΝΑ Μεσογείου, αλλά και τη ∆υτική Μεσόγειο (Ιβηρική Χερσόνησος), iv) η συνοπτικής κλίµακας κυκλοφορία παίζει πρωτεύοντα ρόλο σε τέτοια φαινόµενα µεταφοράς, τα οποία, για παράδειγµα, εξασθενούν κατά το θέρος (π.χ. οι τιµές τ0.55µm είναι χαµηλές πάνω από το Αιγαίο υπό το καθεστώς των Ετησίων ανέµων). Στις περισσότερες περιπτώσεις τα δεδοµένα των TOMS και GACP βρίσκονται σε σχετικά καλή συµφωνία µε αυτά του AERONET και συνήθως, βρίσκονται µέσα στο εύρος της τυπικής απόκλισης. Επίσης, σε αρκετές περιπτώσεις τα δεδοµένα του GACP βρίσκονται σε καλύτερη συµφωνία µε το AERONET σε σχέση µε τα αντίστοιχα του TOMS. Αυτό είναι πιθανό να οφείλεται στην καλύτερη επικάλυψη των χρονικών περιόδων των GACP και AERONET.