Μέθοδοι τηλεπισκόπησης για τη διερεύνηση δομών οριακού στρώματος που σχετίζονται με την ατμοσφαιρική ρύπανση στις πόλεις

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1. Ημερήσια διακύμανση του ύψους ανάμειξης-στρωμάτων πάνω από τη Βουδαπέστη τον Ιούλιο του 2003 από ceilometer (Η3, τρίγωνα) και τα δεδομένα SODAR (Η2,αστερίσκοι και Η1, τετράγωνα). Διαθέσιμες πληροφορίες ραδιοβόλισης σχετικά με αναστροφές παρίσταται ως παχιές μπάρες.

Εικόνα 2. Όπως δεικνύει η Εικόνα 1, αλλά για την ημερήσια διακύμανση του ύψους ανάμειξης-στρωμάτων πάνω από το Μόναχο το Δεκέμβριο του 2003

Πηγή

Συγγραφείς: Stefan Emeis, Klaus Schäfer

Αντικείμενο

Η θερμική δομή του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος και το ύψος του στρώματος ανάμειξης (MLH) είναι απαραίτητες ποσότητες κατά την εκτίμηση της ποιότητας του αέρα και την κάθετη διασπορά των ατμοσφαιρικών ρύπων, επειδή καθορίζουν και περιορίζουν το ρυθμό και το εύρος της κατακόρυφης διασποράς πτητικών ουσιών που σχηματίζονται ή που εκπέμπονται κοντά στο έδαφος.

Αρχικά, το μεταφερόμενο οριακό στρώμα, το νυχτερινό σταθερό επιφανειακό στρώμα, και το υπολειμματικό στρώμα μπορούν να προσδιοριστούν από τα μετρούμενα κατακόρυφα προφίλ της συγκέντρωσης των αερολυμάτων και των θερμικών διακυμάνσεων. Η ικανότητα των δύο τεχνικών τηλεπισκόπησης –οπτική και ακουστική- φαίνεται μέσα από διαφορετικά παραδείγματα από δύο διαφορετικές τοποθεσίες και δύο εποχές. Εξετάζεται η επίδραση στην αξιολόγηση της ποιότητας του αστικού αέρα.

Σκοπός

Η εργασία αυτή σκοπεύει να αξιολογήσει ταυτόχρονες μετρήσεις (ceilometer και sodar) στην πόλη της Βουδαπέστης (Ουγγαρία) και γύρω από την πόλη του Μονάχου (Γερμανία) προκειμένου να αναλύσει τη δομή και την ημερήσια μεταβολή του οριακού στρώματος, και να αποδείξει την αξία των ταυτόχρονων μετρήσεων (ceilometer και sodar).

Όργανα

• Το μονού φακού Vaisala ceilometer LD40. Το τυπικό κατακόρυφο εύρος αυτού του οργάνου είναι 4000 m, ενώ η κάθετη ανάλυση που χρησιμοποιείται εδώ είναι 7.5 m. Εκτός από την πολύ ισχυρή οπισθοσκέδαση από τα σύννεφα και την ομίχλη, οι ασθενέστερες κλίσεις στην ένταση της οπισθοσκέδασης καθορίζονται, κυρίως, από τον αριθμό και το φάσμα μεγέθους των σωματιδίων αερολυμάτων που αιωρούνται στον αέρα. Εδώ χρησιμοποιούνται οι τελευταίες αυτές κλίσεις.

• Η μονο-στατική METEK DSD3 × 7 Doppler SODAR έχει τρεις κεραίες με επτά μετατροπείς ήχου η κάθε μία, που λειτουργούν σε περίπου 1500 Hz. Εδώ, χρησιμοποιείται μια κατακόρυφη σειρά 1200μ για την ένταση οπισθοσκέδασης, μια κάθετη ανάλυση των 30 m, και ένας χρονικός μέσος όρος πάνω από 10 λεπτά. Η ακουστική ένταση οπισθοσκέδασης καθορίζεται, κυρίως, από στροβιλώδεις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας.

Μεθοδολογία

Από τα ηχητικά και οπτικά τηλεπισκοπικά δεδομένα, τα χαρακτηριστικά που ακολουθούν αναλύθηκαν με αυτοματοποιημένες διαδικασίες:

• Το ύψος ενός τυρβώδους στρώματος (Η1), που χαρακτηρίζεται από υψηλές εντάσεις ακουστικής οπισθοσκέδασης, λόγω θερμικών διακυμάνσεων και υψηλής διακύμανσης της συνιστώσας κατακόρυφης ταχύτητας (σw). Το σύστημα για τον προσδιορισμό του Η1 σαρώνει τα δεδομένα οπισθοσκέδασης από κάτω και ανιχνεύει το χαμηλότερο επίπεδο στο οποίο η ακουστική ένταση οπισθοσκέδασης πέφτει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο.
• Το ύψος της επιφανειακής ή ανυψωμένης αναστροφής (Η2), που χαρακτηρίζεται από υψηλή ακουστική οπισθοσκέδαση λόγω της απότομης αύξησης της θερμοκρασίας με το ύψος και της ταυτόχρονης χαμηλής σw. Ο αλγόριθμος για το H2 αναζητά δευτερογενή μέγιστα στο κατακόρυφο προφίλ ακουστικής οπισθοσκέδασης και παίρνει το χαμηλότερο όπου η σw είναι, ταυτοχρόνως, μικρότερη από 0,7 s-1. Αν η μέγιστη επιφανειακή ένταση οπισθοσκέδασης είναι πάνω από ένα δεδομένο όριο, ενώ η σw εκεί είναι μικρότερη από 0,3 m s-1, τότε λαμβάνεται το ύψος αυτής της μέγιστης.
• Το ύψος του επιφανειακού στρώματος αερολύματος (Η3), που χαρακτηρίζεται από υψηλή οπτική οπισθοσκέδαση λόγω υψηλών συγκεντρώσεων αερολύματος. Η διαδικασία εξαγωγής του Η3 από τις μετρήσεις του ceilometer ψάχνει για το μέγιστο της κάθετης κλίσης της έντασης οπτικής οπισθοσκέδασης. Για ύψη κάτω των 90m η διαδικασία μέσης τιμής προσαρμόζεται αναλόγως. Η κάθετη κλίση της έντασης οπισθοσκέδασης σε ένα ύψος h λαμβάνεται έπειτα από τη διαφορά της μέσης τιμής οπισθοσκέδασης 90m πάνω και 90m κάτω από το ύψος h επιλέγεται.

Η ακουστική τηλεπισκόπηση από sodar αποδίδει, επίσης, πεδία του ανέμου που κατ' αρχήν θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του MLH. Επειδή οι πληροφορίες του ανέμου πάνω από την αναστροφή δεν ήταν τακτικά διαθέσιμες, άνεμοι δεν έχουν συμπεριληφθεί στο σύστημα για τον προσδιορισμό του MLH. Πληροφορίες ραδιοβόλισης (radiosonde) είναι διαθέσιμες το μεσημέρι για τις περισσότερες από τις ημερομηνίες στα αποτελέσματα που παρουσιάζονται, ενώ για ορισμένες ημερομηνίες ήταν και για τα μεσάνυχτα. Οι αναστροφές, που προέρχονται από τις βαθμίδες της θερμοκρασίας (αύξηση του δυναμικού της θερμοκρασίας με το ύψος) και / ή την υγρασία (φθίνουσα σχετική υγρασία με το ύψος) στο προφίλ ραδιοβόλισης δεν έχουν χρησιμοποιηθεί στον προαναφερθέντα προσδιορισμό για Η1, Η2 και Η3, αλλά γίνεται η απεικόνισή τους μόνο για σύγκριση με τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται παρακάτω.

Αποτελέσματα

Για συζήτηση επιλέγονται δύο διαφορετικές μετεωρολογικές συνθήκες:

• Η πρώτη περίπτωση περιλαμβάνει τις (σχεδόν) χωρίς σύννεφα ημέρες του καλοκαιριού με χαμηλές ταχύτητες ανέμου στη Βουδαπέστη και
• η δεύτερη περίπτωση είναι ένας χειμερινός άνεμος (foehn) βόρεια των Άλπεων στην περιοχή του Μονάχου.

Και για τις δύο περιπτώσεις θα συγκριθούν τα τρία διαφορετικά σύνολα πληροφοριών που προέρχονται από τις ταυτόχρονες μετρήσεις με τις δύο πράξεις: το ύψος Η1 του τυρβώδους στρώματος, το ύψος Η2 μιας επιφανειακής ή ανυψωμένης αναστροφής, και το ύψος Η3 της επιφανειακού στρώματος αερολύματος. Από την ημερήσια διακύμανση αυτών των τριών υψών και της αμοιβαίας αλληλοσύγκρισής τους θα αντληθεί η ημερήσια διακύμανση της δομής όλου του οριακού στρώματος.

1.Τα δύο πάνω διαγράμματα (εικόνα 1) παρουσιάζουν ημέρες κατά τις οποίες το ύψος του νυχτερινού στρώματος αερολύματος (Η3) συμπίπτει τουλάχιστον για ορισμένα μέρη της νύχτας και του πρωινού με το ύψος του νυχτερινού τυρβώδους στρώματος και της επιφανειακής αναστροφής (Η1 και Η2).

• Περίπου στις 0600 UTC, η επιφάνεια που βασίζεται σε αναστροφή διαλύεται γρήγορα και εντός του εύρους του SODAR δεν μπορεί πλέον να προσδιοριστεί η κορυφή του στρώματος ανάμιξης.
• Δύο έως τρεις ώρες αργότερα, η κορυφή του στρώματος αερολύματος (Η3) αρχίζει να αυξάνεται και φθάνει στη μέγιστη έκτασή της γύρω στο μεσημέρι (δεξιά επάνω πλαίσιο) ή το απόγευμα (αριστερά επάνω πλαίσιο).
• Μεταξύ 1600 και 1800 UTC η ηλιακή ακτινοβολία έχει εξασθενήσει επαρκώς ώστε μια νέα επιφανειακή αναστροφή σχηματίζεται. Η κορυφή του στρώματος αερολύματος παραμένει για αρκετές ώρες περίπου στο μέγιστο ύψος του απογεύματος, υποδεικνύοντας το σχηματισμό μιας υπολειμματικής στιβάδας.
• Αργότερα το βράδυ η συγκέντρωση αερολύματος κοντά στην επιφάνεια του SBL αυξάνει πάλι, και το στρώμα αερολύματος και το τυρβώδες στρώμα συμπίπτουν πάλι.

2.Τα δύο κάτω διαγράμματα (εικόνα 1) δείχνουν δύο παραδείγματα, κατά τα οποία η κορυφή του στρώματος αερολύματος παραμένει μεταξύ 1500 και 2600m ανεξάρτητα από την θερμική δομή των στρωμάτων κοντά στην επιφάνεια.

• Στο κάτω αριστερά διάγραμμα ένα σταθερό οριακό στρώμα, μπορεί να παρατηρηθεί από το SODAR πριν από 0600 UTC και μετά από 1730 UTC. Στο μεταξύ, το MLH είναι εκτός εμβέλειας για την SODAR.
• Στο κάτω δεξιά διάγραμμα, δύο στρώματα αερολυμάτων μπορούν να διακριθούν κατά τις πρωινές ώρες. Μεταξύ 0600 UTC και 1000 UTC και γύρω στο 1200 UTC, ένα δεύτερο χαμηλότερο στρώμα αναλύεται από τα δεδομένα ceilometer είτε μόνιμα (0600-0900 UTC) είτε διακεκομμένα (0900 έως 1200 UTC).

3.Στο αριστερό διάγραμμα (εικόνα 2) παρουσιάζεται μια ημέρα κατά την οποία η κοντά στην επιφάνεια Foehn αναστροφή ήταν τόσο ισχυρή που δεν διαλύθηκε κατά τη διάρκεια της ημέρας.

• Επιπλέον, η θέρμανση της επιφάνειας λόγω της ασθενούς ηλιακής ακτινοβολίας εμποδίζεται από ένα στρώμα ομίχλης κάτω από τη Foehn αναστροφή. Η Foehn αντιστροφή απεικονίζεται από το ύψος της ανυψωμένης αναστροφής (Η2) από τα δεδομένα SODAR και από το ύψος του αερολύματος ή ομιχλώδους στρώματος (Η3) από τα δεδομένα ceilometer. Η συστηματική διαφορά των περίπου 50 μέτρων μεταξύ Η2 και Η3 οφείλεται στα διαφορετικά ύψη των δύο σημείων μέτρησης.
• Το ύψος του τυρβώδους στρώματος (Η1) από τα δεδομένα SODAR είναι αρκετές εκατοντάδες μέτρα υψηλότερο από την Foehn αναστροφή. Υπάρχουν αναταράξεις πάνω από την αναστροφή πιθανώς λόγω της κατακόρυφης διάτμησης αέρα σε αυτό το στρώμα, παρόλο που το προφίλ θερμοκρασίας από τη ραδιοβόλιση δείχνει ότι η σταθερή διαστρωμάτωση συνεχίζει μέχρι περίπου 400-600 πάνω από το έδαφος.

4.Στο δεξί διάγραμμα (εικόνα 2) παρουσιάζεται μια ημέρα κατά την οποία η Foehn αναστροφή χωρίστηκε λόγω της παρόδου ενός αδύναμου ψυχρού μετώπου.

• Η επιφανειακή αναστροφή εξελίχθηκε σε ανυψωμένη αναστροφή (Η2) και αυξήθηκε μεταξύ 0800 UTC και 1400 UTC από 100 σε περίπου 400 μέτρα πάνω από το έδαφος. Αυτή η αύξηση είναι άμεσα ορατή και από το ύψος του στρώματος αερολύματος (Η3).
• Το απόγευμα μετά τις 1400 UTC μια νέα μορφή SBL σχηματίζεται κάτω από 150m και το ύψος του στρώματος αερολύματος μειώνεται και πάλι λόγω της βυθιζόμενης κίνηση, η οποία είναι χαρακτηριστική των Foehn καταστάσεων.

Συζήτηση

• Τα παραδείγματα που παρουσιάζονται δείχνουν, και υποστηρίζονται από τις διαθέσιμες πληροφορίες ραδιοβόλισης, ότι η συνδυασμένη εφαρμογή των οπτικών και ακουστικών τεχνικών τηλεπισκόπησης είναι σε θέση να παρακολουθεί την ημερήσια διακύμανση της κάθετης δομής του ατμοσφαιρικού οριακού στρώματος μέχρι περίπου 3000 m.
• Μόνο η οπτική τεχνική (ceilometer) επιτρέπει τον προσδιορισμό του μέγιστου MLH το απόγευμα, το οποίο πολύ συχνά είναι εκτός εμβέλειας για την ακουστική τεχνική (SODAR). Καμία από τις δύο τεχνικές δεν είναι σε θέση, από μόνη της, να ανιχνεύσει την κατακόρυφη έκταση της υπολειμματικής στιβάδας, επειδή το ceilometer βλέπει μόνο το άνω όριο αυτού του στρώματος, ενώ το SODAR ανιχνεύει το κάτω όριο.
• Η αύξηση της επιφάνειας αναστροφής και η ανάπτυξη του μεταφερόμενου οριακού στρώματος αναγνωρίζονται συχνά και από τα δύο όργανα, επιτρέποντας την εκτίμηση του πόσο γρήγορα η κατακόρυφη κατανομή των συγκεντρώσεων αερολυμάτων ακολουθεί την θερμική εξέλιξη του οριακού στρώματος κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών.

Συμπεράσματα

Οι πληροφορίες σχετικά με την ημερήσια διακύμανση του ύψους ανάμειξης-στρώματος (MLH), που αποκτήθηκαν από τις τεχνικές που περιγράφονται παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης της κατάστασης της ποιότητας του αέρα στις πόλεις και αλλού. Η σύγκριση αυτή δίνει ενόραση στην αλληλεπίδραση των εκπομπών και της διασποράς, απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάπτυξη των στρατηγικών μείωσης των εκπομπών. Περαιτέρω, οι επιφανειακές παρατηρήσεις των MLH μπορούν να βοηθήσουν στην ερμηνεία του οπτικού βάθους από δορυφορικά δεδομένα, επειδή προσδιορίσει το βάθος του οριακού στρώματος στο οποίο τα σωματίδια συνήθως περιορίζονται. Ακόμα, λείπουν πληροφορίες που θα είναι πολύτιμες για την έρευνα του οριακού στρώματος, και που δεν μπορούν να παρέχονται από ηχητικές και οπτικές τεχνικές τηλεπισκόπισης, όπως είναι η ανίχνευση των κάθετων προφίλ θερμοκρασίας στο οριακό στρώμα.