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Orientador(es)
Resumo(s)
The improvements in retrieving microphysical, optical, and radiative properties
of aerosols can contribute to more detailed local observations and research, support
local or global climate modeling and air quality forecasting, validate satellite
products, and contribute to public policies. This PhD thesis aims at achieving such
improvements through synergies between ground-based remote-sensing
instruments. The objectives are to (1) evaluate the potential of an inversion
algorithm, namely GRASP, for retrieving aerosol properties from the synergy
between a polarized Sun-sky-lunar photometer and a state-of-the-art
ACTRIS/EARLINET multi-wavelength lidar, and (2) estimate long-term aerosol
radiative effects by combining net radiative fluxes from pyranometers and Aerosol
Optical Depth (AOD) from photometers, and assessing GRASP’s ability to retrieve
such effects on a case-by-case basis. To achieve Obj. 1, sensitive tests (noise-free
and random noise retrievals) were performed with GRASP for several combinations
of ground-based observations, including polarization information as GRASP inputs,
for three aerosol scenarios in Barcelona, Spain. The sensitive tests showed that the
addition of the Degree of Linear Polarization (DoLP) improved the noise-free and
random-noise GRASP inversions, particularly under higher AOD. The gains were
most notable for the coarse mode of the optical properties, and for the coarse mode
of the Real Refractive Index. To achieve Obj. 2, a direct method was applied to
estimate spectral Aerosol Forcing Efficiency (AFE) and Aerosol Radiative Forcing
(ARF) for a 14-year database in Barcelona, Spain. The AFE-ARF estimations
confirmed a dominant cooling forcing over Barcelona, with the strongest cooling
effect caused by mineral dust, followed by urban/industrial-biomass burning and
mixed aerosols. Furthermore, the GRASP inversions with DoLP were more accurate
for the ARF, agreeing with the direct method in the high-AOD cases.
As melhorias na obtenção das propriedades microfísicas, ópticas e radiativas dos aerossóis podem contribuir para observações e pesquisas locais mais detalhadas, apoiar a modelagem climática em escala local ou global e a previsão da qualidade do ar, validar produtos de satélite e subsidiar políticas públicas. Esta tese de doutorado tem como objetivo alcançar tais melhorias por meio de sinergias entre instrumentos de sensoriamento remoto baseados em solo. Os objetivos são: (1) avaliar o potencial de um algoritmo de inversão, GRASP, para obter propriedades de aerossóis a partir da sinergia entre um fotômetro polarizado e um lidar multicomprimento de onda de última geração da rede ACTRIS/EARLINET; e (2) estimar os efeitos radiativos de aerossóis em longo prazo combinando fluxos radiativos líquidos obtidos por piranômetros e a Profundidade Óptica de Aerossóis (AOD) dos fotômetros, além de avaliar a capacidade de GRASP em calcular tais efeitos caso-a-caso. Para alcançar o Obj. 1, foram realizados testes de sensibilidade (inversões livres de ruído e com ruído aleatório) em GRASP, utilizando várias combinações de observações de solo, incluindo informações de polarização como entradas do algoritmo, de três cenários de aerossóis em Barcelona, Espanha. Os testes mostraram que a adição do Grau de Polarização Linear (DoLP) melhorou as inversões de GRASP, tanto para os casos livres de ruído quanto para os com ruído aleatório, especialmente sob condições de AOD elevado. Os ganhos foram mais notáveis para o modo grosso das propriedades ópticas e para o modo grosso do Índice de Refração Real. Para atingir o Obj. 2, foi aplicado um método direto para estimar a Eficiência do Forçamento dos Aerossóis (AFE) espectral e o Forçamento Radiativo dos Aerossóis (ARF) para 14 anos de dados em Barcelona, Espanha. As estimativas de AFE e ARF confirmaram um forçamento de resfriamento dominante, com o efeito de resfriamento mais intenso causado pela poeira mineral, seguido pelos aerossóis urbano/industriais-biomassa e pelos aerossóis mistos. Além disso, as inversões com DoLP realizadas por GRASP foram mais precisas para ARF, concordando com o método direto nos casos com AOD elevado.
Las mejoras en la recuperación de propiedades microfísicas, ópticas y radiativas de los aerosoles pueden contribuir a observaciones e investigaciones locales más detalladas, apoyar la modelización climática local o global y la previsión de la calidad del aire, validar productos satelitales y contribuir a las políticas públicas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo lograr tales mejoras mediante sinergias entre instrumentos de teledetección terrestres. Los objetivos son: (1) evaluar el potencial de un algoritmo de inversión, concretamente GRASP, para recuperar propiedades de los aerosoles a partir de la sinergia entre un fotómetro solar-celeste-lunar polarizado y un lidar multicanal de última generación de ACTRIS/EARLINET, y (2) estimar los efectos radiativos a largo plazo de los aerosoles combinando flujos radiativos netos de piranómetros y la Profundidad Óptica de Aerosoles (AOD) de fotómetros, evaluando la capacidad de GRASP para recuperar dichos efectos caso por caso. Para alcanzar el Obj. 1, se realizaron pruebas de sensibilidad (recuperaciones sin ruido y con ruido aleatorio) con GRASP para varias combinaciones de observaciones terrestres, incluyendo la información de polarización como entrada en GRASP, en tres escenarios de aerosoles en Barcelona, España. Las pruebas mostraron que la adición del Grado de Polarización Lineal (DoLP) mejoró las inversiones de GRASP tanto sin ruido como con ruido aleatorio, particularmente bajo altos valores de AOD. Las mayores mejoras se observaron en el modo grueso de las propiedades ópticas y en el índice de refracción real del modo grueso. Para alcanzar el Obj. 2, se aplicó un método directo para estimar la Eficiencia del Forzamiento de Aerosoles (AFE) y el Forzamiento Radiativo por Aerosoles (ARF) espectrales en una base de datos de 14 años en Barcelona. Las estimaciones de AFE-ARF confirmaron un forzamiento de enfriamiento dominante sobre Barcelona, siendo el polvo mineral el responsable del efecto de enfriamiento más fuerte, seguido por los aerosoles urbanos/industriales y de quema de biomasa, y los aerosoles mixtos. Además, las inversiones de GRASP con DoLP fueron más precisas para el ARF, coincidiendo con el método directo en los casos con AOD alto.
As melhorias na obtenção das propriedades microfísicas, ópticas e radiativas dos aerossóis podem contribuir para observações e pesquisas locais mais detalhadas, apoiar a modelagem climática em escala local ou global e a previsão da qualidade do ar, validar produtos de satélite e subsidiar políticas públicas. Esta tese de doutorado tem como objetivo alcançar tais melhorias por meio de sinergias entre instrumentos de sensoriamento remoto baseados em solo. Os objetivos são: (1) avaliar o potencial de um algoritmo de inversão, GRASP, para obter propriedades de aerossóis a partir da sinergia entre um fotômetro polarizado e um lidar multicomprimento de onda de última geração da rede ACTRIS/EARLINET; e (2) estimar os efeitos radiativos de aerossóis em longo prazo combinando fluxos radiativos líquidos obtidos por piranômetros e a Profundidade Óptica de Aerossóis (AOD) dos fotômetros, além de avaliar a capacidade de GRASP em calcular tais efeitos caso-a-caso. Para alcançar o Obj. 1, foram realizados testes de sensibilidade (inversões livres de ruído e com ruído aleatório) em GRASP, utilizando várias combinações de observações de solo, incluindo informações de polarização como entradas do algoritmo, de três cenários de aerossóis em Barcelona, Espanha. Os testes mostraram que a adição do Grau de Polarização Linear (DoLP) melhorou as inversões de GRASP, tanto para os casos livres de ruído quanto para os com ruído aleatório, especialmente sob condições de AOD elevado. Os ganhos foram mais notáveis para o modo grosso das propriedades ópticas e para o modo grosso do Índice de Refração Real. Para atingir o Obj. 2, foi aplicado um método direto para estimar a Eficiência do Forçamento dos Aerossóis (AFE) espectral e o Forçamento Radiativo dos Aerossóis (ARF) para 14 anos de dados em Barcelona, Espanha. As estimativas de AFE e ARF confirmaram um forçamento de resfriamento dominante, com o efeito de resfriamento mais intenso causado pela poeira mineral, seguido pelos aerossóis urbano/industriais-biomassa e pelos aerossóis mistos. Além disso, as inversões com DoLP realizadas por GRASP foram mais precisas para ARF, concordando com o método direto nos casos com AOD elevado.
Las mejoras en la recuperación de propiedades microfísicas, ópticas y radiativas de los aerosoles pueden contribuir a observaciones e investigaciones locales más detalladas, apoyar la modelización climática local o global y la previsión de la calidad del aire, validar productos satelitales y contribuir a las políticas públicas. Esta tesis doctoral tiene como objetivo lograr tales mejoras mediante sinergias entre instrumentos de teledetección terrestres. Los objetivos son: (1) evaluar el potencial de un algoritmo de inversión, concretamente GRASP, para recuperar propiedades de los aerosoles a partir de la sinergia entre un fotómetro solar-celeste-lunar polarizado y un lidar multicanal de última generación de ACTRIS/EARLINET, y (2) estimar los efectos radiativos a largo plazo de los aerosoles combinando flujos radiativos netos de piranómetros y la Profundidad Óptica de Aerosoles (AOD) de fotómetros, evaluando la capacidad de GRASP para recuperar dichos efectos caso por caso. Para alcanzar el Obj. 1, se realizaron pruebas de sensibilidad (recuperaciones sin ruido y con ruido aleatorio) con GRASP para varias combinaciones de observaciones terrestres, incluyendo la información de polarización como entrada en GRASP, en tres escenarios de aerosoles en Barcelona, España. Las pruebas mostraron que la adición del Grado de Polarización Lineal (DoLP) mejoró las inversiones de GRASP tanto sin ruido como con ruido aleatorio, particularmente bajo altos valores de AOD. Las mayores mejoras se observaron en el modo grueso de las propiedades ópticas y en el índice de refracción real del modo grueso. Para alcanzar el Obj. 2, se aplicó un método directo para estimar la Eficiencia del Forzamiento de Aerosoles (AFE) y el Forzamiento Radiativo por Aerosoles (ARF) espectrales en una base de datos de 14 años en Barcelona. Las estimaciones de AFE-ARF confirmaron un forzamiento de enfriamiento dominante sobre Barcelona, siendo el polvo mineral el responsable del efecto de enfriamiento más fuerte, seguido por los aerosoles urbanos/industriales y de quema de biomasa, y los aerosoles mixtos. Además, las inversiones de GRASP con DoLP fueron más precisas para el ARF, coincidiendo con el método directo en los casos con AOD alto.
Descrição
Palavras-chave
Ground-based synergies GRASP DoLP Radiative fluxes AOD Aerosol forcing efficiency Aerosol radiative forcing Sinergias baseadas em solo Fluxos radiativos Eficiência do Forçamento de aerossóis Forçamento radiativo de aerossóis Signal Theory and Communications . Reconhecimento Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions