ΠΑΡΑ ΟΤΕΟ 5 ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΟΥ ΙΑΣΤΗΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ CALIPSO ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΟΡΑΤΟΥ ΚΑΙ ΤΟΥ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ (532 ΚΑΙ 164 NM) ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΩΝ ΑΘΗΝΩΝ Τίτλος Έργου: Ανάπτυξη συστήµατος lidar 6-µηκών κύµατος για την ανάκτηση των µικροφυσικών και χηµικών ιδιοτήτων των αερολυµάτων στην τροπόσφαιρα: Εφαρµογή στη βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος lidar CALIPSO Κωδικός Έργου : 5-NON-EU-95 [ΟΠΣ: 27δ] Ανάδοχος : Επιστηµονικός Υπεύθυνος : ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ρ. Αλέξανδρος ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ Αν. Καθηγητής ράση : «Συνεργασίες µε Ε&Τ οργανισµούς χωρών εκτός Ευρώπης - 25» (Φάση B) Θεµατικός Τοµέας : Περιβαλλοντικές και ιαστηµικές Τεχνολογίες Αρµόδια ιεύθυνση ΓΓΕΤ : Αρµόδιος Χειριστής ΓΓΕΤ : ιεύθυνση ιεθνούς Ε&Τ Συνεργασίας Τµήµα ιακρατικών Σχέσεων Β. ΚΕΡΑΣΙΩΤΗ
Παραδοτέο 5: Βαθµονόµηση του διαστηµικού συστήµατος CALIPSO στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου (532 και 164 nm) στην περιοχή των Αθηνών (Συντονιστής: ΕΜΠ, Συνεργάτες: ΕΜΠ (8%), Raymetrics A.E. (2%)) Περίληψη Κατά τη διάρκεια αυτού του παραδοτέου πραγµατοποιήθηκε από το ΕΜΠ, σε συνεργασία µε την Raymterics A.E., η βαθµονόµηση της διαστηµικής πλατφόρµας CALIPSO στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου (532 και 164 nm) στην περιοχή των Αθηνών. Από τον Ιούλιο του 26, στο Εργαστήριο Lidar του Τοµέα Φυσικής του Ε.Μ.Π. πραγµατοποιούνται συστηµατικές µετρήσεις για την βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος Lidar του δορυφόρου CALIPSO (ανάλογα µε την ώρα διέλευσης: 13:3 UTC ή 1:3 UTC). Η συνολική διάρκεια των επίγειων µετρήσεων µε το σύστηµα lidar είναι περίπου δύο ώρες µε αναφορά την ώρα του κοντινότερου περάσµατος του δορυφόρου στον επίγειο σταθµό. Στην παρούσα µελέτη έγινε µία πρώτη προσπάθεια για την βαθµονόµηση των κατακόρυφων κατανοµών των αιωρούµενων σωµατιδίων του δορυφορικού lidar CALIOP, µέσω της σύγκρισής τους µε τις επίγειες αντίστοιχες µετρήσεις οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν στο Ε.Μ.Π. Από την στατιστική ανάλυση των δεδοµένων που προέκυψαν από τις 4 σύγχρονες µετρήσεις lidar, υπολογίσθηκε ότι η µέση τιµή των ποσοστιαίων διαφορών ήταν της τάξεως των 22% για ηµερήσιες µετρήσεις και 8 % για µετρήσεις κατά την διάρκεια της νύχτας, για την περιοχή υψών µεταξύ 3 και 1 km. Οι µέσες διαφορές µεταξύ των δύο οργάνων γίνονται πολύ µεγαλύτερες για ύψη µικρότερα των 3 km (της τάξης του 6 %). 1. Εισαγωγή Η τεχνική του Lidar παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στο µέλλον των επίγειων παρατηρήσεων. Το σύστηµα lidar CALIOP (Cloud-Aerosol LIdar with Orthogonal Polarization) το οποίο βρίσκεται στον δορυφόρο της NASA CALIPSO, κατά την διάρκεια µίας µακράς διάρκειας αποστολής δίνει µία µοναδική ευκαιρία όσον αφορά την λεπτοµερή µελέτη της απόδοσης και του επιστηµονικού υποβάθρου ενός συστήµατος lidar εκτός της γήινης ατµόσφαιρας. Η αποστολή του CALIPSO στηρίζεται στην συνολική παρατήρηση της κατακόρυφης κατανοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα. Μόνο µέσω συνδυασµένων µελετών των επίγειων και δορυφορικών τεχνικών lidar καθώς επίσης και µοντέλων µπορεί να επιτευχθεί µία πλήρης ερµηνεία των δεδοµένων έτσι ώστε να πραγµατοποιηθεί µία λεπτοµερής περιγραφή της χρονικής και χωρικής κατανοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων. Από τον Ιούνιο του 26 οπότε και εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος CALIPSO, µετρήσεις για την βαθµονόµηση του δορυφορικού συστήµατος lidar (CALIOP) πραγµατοποιούνται στο Eργαστήριο lidar του ΕΜΠ στην Αθήνα. Οι µετρήσεις πραγµατοποιούνται για τριών ειδών υπερπτήσεις πάνω από τον επίγειο σταθµών lidar της Αθήνας. Η πρώτη κατηγορία (περίπτωση 1) αναφέρεται σε απόσταση του δορυφόρου µικρότερη των 8 km από τον σταθµό της Αθήνας. Η δεύτερη και η τρίτη κατηγορία αναφέρονται σε µετρήσεις που πραγµατοποιούνται στον σταθµό του Ε.Μ.Π. όταν 2
ο δορυφόρος περνάει σε ακτίνα 8 km από κάποιον κοντινό ως προς την Αθήνα σταθµό lidar (περίπτωση 2 για υπερπτήση πάνω από την Θεσσαλονίκη και περίπτωση 3 για υπερπτήση πάνω από την Potenza, Ιταλία). Στην αναφορά αυτή παρουσιάζεται, µία πρώτη προσέγγιση για την βαθµονόµηση των κατακόρυφων κατανοµών των αιωρούµενων σωµατιδίων του δορυφορικού συστήµατος στην ευρύτερη περιοχή της Αθήνας. Η βαθµονόµηση έγινε µέσω της σύγκρισης των δορυφορικών κατανοµών οπισθοσκέδασης και των αντίστοιχων κατανοµών που προέκυψαν από τις επίγειες µετρήσεις στο Εργαστήριο lidar του Ε.Μ.Π. Στο πρώτο µέρος γίνεται η περιγραφή των επίγειων οργάνων που χρησιµοποιήθηκαν, ενώ στο δεύτερο µέρος περιγράφεται η διαδικασία βαθµονόµησης που ακολουθήσαµε και στο τρίτο µέρος δίνονται τα αποτελέσµατα και τα συµπεράσµατα. 2. Πειραµατική ιάταξη Ο δορυφόρος CALIPSO κινείται σε συνδυασµό µε την οµάδα δορυφόρων Aqua (Atrain), η οποία αποτελείται από τους δορυφόρους Aqua, CloudSat, CALIPSO, PARASOL, και Aura. Αυτή η πλειάδα δορυφόρων περιστρέφεται σε προκαθορισµένη τροχιά σε ύψος 75 km από την επιφάνεια της Γής µε κλίση 98 ο. Το κύριο µέρος του CALIPSO αποτελείται από τρία ευθυγραµµισµένα και προσανατολισµένα όργανα στο ναδίρ. Το σύστηµα lidar CALIOP, ένα υπέρυθρο ραδιόµετρο και µία κάµερα ευρέως οπτικού πεδίου. Το CALIOP είναι ένα σύστηµα lidar δύο µηκών κύµατος (532 nm και 164 nm) ευαίσθητο ως προς την πόλωση το οποίο δίνει κατακόρυφες κατανοµές υψηλής ανάλυσης των αιωρούµενων σωµατιδίων και των νεφών. 3. ιαδικασία βαθµονόµησης: Ηµερήσιες και βραδινές µετρήσεις Αρχικά παρουσιάζουµε την ανάλυση που ακολουθήσαµε για τις 22 Αυγούστου 27. Την ηµέρα εκείνη πραγµατοποιήθηκαν ταυτόχρονες ηµερήσιες (11:39 UTC) και νυχτερινές µετρήσεις (:34 UTC) οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν µε τα δύο όργανα. Μέσω του παραδείγµατος αυτού περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την βαθµονόµηση των δορυφορικών δεδοµένων. Τα δεδοµένα του συστήµατος lidar αθροίζονται γύρω από τον χρόνο υπερπτήσης πάνω από την Αθήνα του δορυφόρου για τουλάχιστον 2 ώρες. Η Εικόνα 5.1 παρουσιάζει την ελάχιστη απόσταση του δορυφόρου από τον επίγειο σταθµό για το νυχτερινό πέρασµα (16 km) και για το πρωινό πέρασµα (8 km) στις 22 Αυγούστου 27. 3
Εικόνα 5.1. Υπερπτήση του δορυφόρου CALIPSO πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Αθήνας κατά την νύχτα και ηµέρα της 22ας Αυγούστου 27. Στην Εικόνα 5.2 παρουσιάζεται η κατακόρυφη κατανοµή του συντελεστή οπισθοσκέδασης στα 532 nm όπως προκύπτει από τον δορυφόρο CALISPO κατά την διέλευσή του υπεράνω των Αθηνών. Η περιοχή του κοντινότερου ως προς τον επίγειο σταθµό περάσµατος του δορυφόρου παρουσιάζεται, επίσης, στην εικόνα αυτή. Επιπρόσθετα, οι κάθετες γραµµές έχουν σχεδιαστεί για τον προσδιορισµό της απόστασης που καλύπτει ο δορυφόρος CALIPSO οι οποίες αντιστοιχούν στην χρονική περίοδο άθροισης η οποία χρησιµοποιούνται στην µελέτη µας. Η µελέτη βαθµονόµησης πραγµατοποιήθηκε για δύο διαφορετικές οριζόντιες αναλύσεις των δορυφορικών δεδοµένων (5 και 2 km). Η οµογένεια του φόρτου των αιωρούµενων σωµατιδίων στην διανυθείσα απόσταση για τις δύο αναλύσεις ελέγχθηκε από την εικόνα της υπερπτήσης του CALIPSO επάνω από την Αθήνα (βλ. Εικόνα 5.2). Στην παρούσα µελέτη αναλύουµε ένα επεισόδιο µεταφοράς σκόνης από την έρηµο Σαχάρα προς την Ευρώπη, όπως παρατηρήθηκε από τον δορυφόρο CALIPSO στα 532 nm στις 22 Αυγούστου 27. 4
.1 1.1 5.1 Υψος a.ε.θ (km) 37.38 24.97 43.43 42.94 23.3 25.17 Γεωγραφικό πλάτος () o Γεωγραφικό µήκος () o 36.9 23.26 Εικόνα 5.2. Κατάκορφη κατανοµή συντελεστή οπισθοσκέδασης όπως αποτυπώθηκε από τον δορυφόρο CALIPSΟ στα 532 nm στις 22 Αυγούστου 27. Οι κόκκινες γραµµές αναφέρονται στην κοντινότερη ως προς τον σταθµό της Αθήνας υπερπτήση για την ηµέρα (11:39 UTC) (αριστερά) και για την νύχτα (:34 UTC) (δεξιά). Οι γκρι και οι µαύρες γραµµές αναφέρονται αντίστοιχα στην περίοδο της οριζόντιας ανάλυσης των 2 και 5 km των δορυφορικών δεδοµένων..1 Η χωρο-χρονική µεταβολή του συντελεστή οπισθοσκέδασης των αερολυµάτων σε συνάρτηση µε την διανυθείσα απόσταση δείχνει ότι η σκόνη από την Σαχάρα εντοπίζεται στα ύψη µεταξύ των 2.5 και 3.5 km, σε µία γεωγραφική περιοχή που καλύπτει σχεδόν όλη την ανατολική Ευρώπη. Η στρωµάτωση αυτή καταγράφηκε και στις βραδινές και στις πρωινές µετρήσεις, στην ευρύτερη περιοχή του επίγειου σταθµού lidar της Αθήνας. Για τον υπολογισµό του συντελεστή οπισθοσκέδασης των µετρήσεων του σταθµού lidar του Ε.Μ.Π. ακολουθήσαµε την διαδικασία η οποία προτάθηκε στην εργασία των Mona et al. (27), έτσι ώστε να µετασχηµατιστούν στην µορφή των συντελεστών οπισθοσκέδασης που δίνονται από τα δορυφορικά δεδοµένα και να µπορούν τελικά να συγκριθούν µε αυτά. 1. Ο συνολικός συντελεστής οπισθοσκέδασης υπολογίζεται από τον συντελεστή µοριακής οπισθοσκέδασης και αυτόν της σωµατιδιακής οπισθοσκέδασης, ως εξής: (3) 5
ΑΘΗΝΑ 22 ΑΥΓΟΥΣΤΟΥ 27 δεδοµένα Επιπέδου 1 1 :35:6-:35:7 UTC απόσταση: 16.728km Ύψος α.ε.θ (km) 8 6 4 2 CALIPSO 2 km Οριζόντια Ανάλυση NTUA RAMAN lidar system CALIPSO 5 km Οριζόντια Ανάλυση ποσοστιαίες διαφορές 2 km ποσοστιαίες διαφορές 5 km..2.4-1 -5 5 1 Συντελεστής οπισθοσκέδασης (km -1 sr -1 ) CALIPSO- Ε.Μ.Π LIDAR/CALIPSO (%) Ύψος α.ε.θ (km) 1 8 6 4 2 ΑΘΗΝΑ 22 ΑΥΓΟΥΣΤΟΥ 27 δεδοµένα Επιπέδου 1 11:38:59-11:39: UTC απόσταση: 85.5994km CALIPSO 2 km Οριζόντια Ανάλυση NTUA RAMAN lidar system CALIPSO 5 km Οριζόντια Ανάλυση ποσοστιαίες διαφορές 2 km ποσοστιαίες διαφορές 5 km..2.4-1 -5 5 1 Συντελεστής οπισθοσκέδασης CALIPSO- Ε.Μ.Π LIDAR/CALIPSO (%) (km -1 sr -1 ) Εικόνα 5.3. Κατακόρυφη κατανοµή συντελεστή οπισθοσκέδασης (αριστερά) στα 532nm για οριζόντια ανάλυση 5 και 2 km των δορυφορικών δεδοµένων επιπέδου 1 του CALIPSO σε σύγκριση µε τον συντελεστή οπισθοσκέδασης όπως προέκυψε από τις επίγειες µετρήσεις lidar, και η ποσοστιαία µέση διαφορά τους ανά 25 µέτρα (δεξιά). Βραδινή µέτρηση (επάνω) και ηµερήσια µέτρηση (κάτω). 2. Ο όρος της διαπερατότητας λόγω των αερολυµάτων στην εξίσωση lidar προσδιορίζεται από την κατακόρυφη κατανοµή του συντελεστή εξασθένησης λόγω των σωµατιδίων : 6
3. Τελικά, ο συντελεστής οπισθοσκέδασης, ορίζεται ως: (4) (5) Στην Eικόνα 5.3 παρουσιάζονται οι κατακόρυφες κατανοµές του συντελεστή οπισθοσκέδασης όπως µετρήθηκαν από τα δύο όργανα, καθώς επίσης και οι αντίστοιχες διαφορές µεταξύ τους τόσο για τις βραδινές, όσο και για τις ηµερήσιες σύγχρονες µετρήσεις στις 22 Αυγούστου 27. Αναφορικά στα δεδοµένα του δορυφόρου CALIPSO, η κατακόρυφη κατανοµή του συντελεστή οπισθοσκέδασης είναι ιδιαίτερα θορυβώδεις και λόγω αυτού χρειάζεται µεγαλύτερη άθροιση δεδοµένων για την ταυτοποίηση των στρωµατώσεων των αιωρούµενων σωµατιδίων. Αυτό είναι περισσότερο απαραίτητο στις πρωινές µετρήσεις. Για τους υπολογισµούς χρησιµοποιήσαµε οριζόντιες αθροίσεις των 5 και 2 km, στα δορυφορικά δεδοµένα. Η ανάλυση των 2 km στις πρωινές µετρήσεις βελτίωσε την µέση διαφορά µεταξύ των δορυφορικών και των επίγειων δεδοµένων lidar από -16 % σε -8 %. Για τις βραδυνές µετρήσεις η οριζόντια ανάλυση των 5 km που χρησιµοποιήθηκε αφαιρεί ικανοποιητικά τον θόρυβο υποβάθρου µε αποτέλεσµα να µην παρατηρείται ιδιαίτερη βελτίωση στην περίπτωση που χρησιµοποιηθεί ανάλυση 2 km. 4. Στατιστική Ανάλυση Για την στατιστική µελέτη των διαφορών µεταξύ των δορυφορικών και των επίγειων µετρήσεων, εφαρµόσαµε την µεθοδολογία που περιγράφηκε στην προηγούµενη ενότητα σε 4 κοινές και σύγχρονές µετρήσεις. Από το σύνολο των 87 σύγχρονων µετρήσεων, οι 47 από αυτές εξαιρέθηκαν λόγω της παρουσίας νεφών σε χαµηλά ύψη. Για τις υπόλοιπες µετρήσεις υπολογίστηκε η µέση επί τοις εκατό διαφορά του συντελεστή οπισθοσκέδασης ανά 25 m. Τα σφάλµατα αναφέρονται στην διακύµανση από τον µέσω όρο των 4 µετρήσεων που χρησιµοποιήθηκαν. ιαχωρίσαµε τις κοινές µετρήσεις σε δύο οµάδες. Ο διαχωρισµός που έγινε µε βάση το κριτήριο ηµέρας-νύχτας, παρουσιάζεται στην Εικόνα 5.4. Οι διαφορές µεταξύ των δύο οργάνων είναι µεγαλύτερες στις πρωινές από ότι στις βραδινές µετρήσεις. Παρόλα αυτά βελτίωση παρουσιάζεται στην περίπτωση που για τις πρωινές µετρήσεις µειωθεί η οριζόντια ανάλυση από 5 σε 2 km (βελτίωση της τάξεως του 1 %). Αυτό µπορεί να συµβαίνει λόγω της ανικανότητας του δορυφορικού αισθητήρα του CALIPSO να ανασυνθέτει µε ακρίβεια τις ατµοσφαιρικές στρωµατώσεις κατά την διάρκεια της ηµέρας λόγω του αυξηµένου ηλιακού υποβάθρου. Επιπλέον, είναι ξεκάθαρο ότι στην Εικόνα 5.4 οι διαφορές γίνονται πολύ µεγαλύτερες για τα ύψη µεταξύ του εδάφους και των 3 km. 7
1 ΗΜΕΡΗΣΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ -21.86±24.19-1.24±11.64 ΒΡΑ ΙΝΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ -8.4±8.62-3.9±6.36 8 2km Οριζόντια ανάλυση 5km Οριζόντια ανάλυση Ύψος α.ε.θ. (km) 6 4 2 18 περιπτώσεις 22 περιπτώσεις -1-5 5 1-1 -5 5 (CALIPSO - RAMAN LIDAR Ε.Μ.Π. )/CALIPSO (%) 1 Εικόνα 5.4. Μέση ποσοστιαία διαφορά µεταξύ του CALIPSO και του συστήµατος lidar του Ε.Μ.Π. για ηµερήσιες και βραδινές µετρήσεις. Οι διαφορές υπολογίστηκαν για οριζόντιες αναλύσεις των δορυφορικών δεδοµένων 5 και 2 km. Ο δεύτερος διαχωρισµός των κοινών µετρήσεων µε τον δορυφόρο CALIPSO που πραγµατοποιήσαµε έγινε µε βάση την παρουσία η όχι λεπτών νεφών (cirrus clouds), µέσα στο οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου του CALIOP. Η Εικόνα 5.5 παρουσιάζει τις µέσες ποσοστιαίες διαφορές µεταξύ των µετρήσεων του συντελεστή οπισθοσκέδασης του CALIPSO και του Ε.Μ.Π. για τις 27 περιπτώσεις που ο ουρανός ήταν καθαρός και των 13 όπου υπήρχαν λεπτά νέφη στην περιοχή υψών µεταξύ 8 και 1 km. Τα δύο συστήµατα βρίσκονται σε καλύτερη συµφωνία στην περίπτωση που δεν υπάρχουν νέφη cirrus (-17±16% µέση διαφορά µεταξύ 3-1 km). Η υποεκτίµηση του δορυφόρου γίνεται ακόµη µεγαλύτερη στην περιοχή κάτω από τα νέφη cirrus (-77±12% µέση διαφορά µεταξύ 3-1 km). Το σύνολο των αποτελεσµάτων που προέκυψαν από την στατιστική ανάλυση επισηµαίνουν τα όρια των δορυφορικών µετρήσεων lidar και υποδηλώνουν ότι η µόνη πληροφορία που µπορεί να εξαχθεί από τα δορυφορικά δεδοµένα όταν υπάρχουν νέφη cirrus, είναι το ύψος των νεφών. Οι διαφορές γίνονται ακόµη µεγαλύτερες στην περιοχή µεταξύ -3 km. Ιδιαίτερα όταν υπάρχουν λεπτά νέφη, δεν µπορεί να απεικονιστεί η πραγµατική κατακόρυφη κατανοµή της δοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων εντός του ατµοσφαιρικού οριακού στρώµατος από τα δορυφορικά δεδοµένα lidar. Παρόλα αυτά θα πρέπει να αναφερθεί ότι οι διαφορές σε ύψη 8
µικρότερα των 5 m, οφείλονται επιπλέον και στη µη πλήρη επικάλυψη µεταξύ της δέσµης του laser και του οπτικού πεδίου του τηλεσκοπίου του Ε.Μ.Π. 1 ΑΠΟΥΣΙΑ ΝΕΦΩΝ CIRRUS -17.36±15.27 ΝΕΦΗ CIRRUS -77.83±12.27 8 Ύψος α.ε.θ. (km) 6 4 2 27 περιπτώσεις 13 περιπτώσεις -5-25 25 5-5 -25 25 5 (CALIPSO - RAMAN LIDAR Ε.Μ.Π. )/CALIPSO (%) Εικόνα 5.5. Μέση ποσοστιαία διαφορά µεταξύ του CALIPSO και του συστήµατος lidar του Ε.Μ.Π. για την περίπτωση παρουσίας ή µη νεφών cirrus. Στο τελευταίο µέρος της στατιστικής ανάλυσης των µετρήσεων βαθµονόµησης που πραγµατοποιήθηκαν στο Eργαστήριο lidar του Ε.Μ.Π., για το σύνολο των 4 κοινών µετρήσεων του δορυφορικού και του επίγειου συστήµατος υπολογίστηκαν οι µέσες διαφορές των. Στην Εικόνα 5.6 (επάνω µέρος) παρουσιάζονται οι διαφορές αυτές σε συνάρτηση της απόστασης της προβολής της υπερπτήσης και του επίγειου σταθµού lidar. Είναι φανερό ότι οι µεγάλες διαφορές αναφέρονται στις ηµέρες όπου υπάρχουν νέφη cirrus (µπλε κουκίδες). Τέλος, εξαιρέσαµε την ηµέρες µε νέφη και υπολογίσαµε τις µέσες διαφορές των δυο συστηµάτων µε 5 km οριζόντια ανάλυση κατά τη διάρκεια των βραδινών µετρήσεων και 2 km οριζόντια ανάλυση για τα ηµερήσια δορυφορικά δεδοµένα. Μετά από όλες αυτές τις βελτιστοποιήσεις οι µέσες ποσοστιαίες διαφορές για την περιοχή µεταξύ 3-1 km, καθώς επίσης και για την περιοχή -3 km, (βλ. Eικόνα 5.6 - µέση και κάτω, αντίστοιχα), παρουσιάζουν καλύτερη συµφωνία µεταξύ των δύο συστηµάτων παρατήρησης. 9
2 Μέσες διαφορές για µετρήσεις χωρίς σύννεφα Μέσες διαφορές για µετρήσεις µε σύννεφα cirrus -2 Ποσοστιαίες διαφορές [%] -4-6 -8-1 -12-14 -16-18 -2 2 4 6 8 1 Απόσταση [km] Ποσοστιαίες διαφορές [%] 2-2 -4-6 Μέσες διαφορές µεταξύ 3-1 km -2 Μέσες διαφορές µεταξύ -3 km -2-4 -6-8 -1-12 -14-16 -18-2 2 4 6 8 1 Ποσοστιαίες διαφορές [%] Απόσταση [km] Εικόνα 5.6. Μέσες ποσοστιαίες διαφορές (επάνω: στο σύνολο της κατακόρυφης κατανοµής, µέση από 3-1 km και κάτω: από έως 3 km) µεταξύ των συντελεστών οπισθοσκέδασης που µετρήθηκαν µε τα δύο συστήµατα σε συνάρτηση µε την απόσταση (σε km). 5. Συµπεράσµατα Στην παρουσίαση των αποτελεσµάτων που παρουσιάστηκαν στη Φάση αυτή, αναλύσαµε τα πρώτα αποτελέσµατα της βαθµονόµησης του δορυφορικού συστήµατος lidar το οποίο βρίσκεται στον δορυφόρο CALIPSO, µέσω σύγκρισης µε τις αντίστοιχες µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν στον σταθµό lidar του Ε.Μ.Π στην Αθήνα. Τα δορυφορικά δεδοµένα επιπέδου 1 της κατακόρυφης κατανοµής του συντελεστή οπισθοσκέδασης από τον 1
σταθµό Calipso συγκρίθηκαν µε τα αντίστοιχα δεδοµένα που προέκυψαν από τις 4 σύγχρονες µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν από τον σταθµό Raman lidar της Αθήνας. Τα αποτελέσµατα που προέκυψαν αποδεικνύουν ότι και τα δύο συστήµατα καταγράφουν παρόµοιες δοµές πάνω από το ατµοσφαιρικό οριακό στρώµα, αλλά επιπλέον υποδηλώνουν και την αδυναµία του δορυφορικού συστήµατος lidar, CALIOP, να εντοπίσει την κατακόρυφη δοµή των αιωρούµενων σωµατιδίων εντός του ατµοσφαιρικού οριακού στρώµατος, ιδιαίτερα κατά την διάρκεια της ηµέρας. Βελτίωση της συµφωνίας µεταξύ του CALIPSO και του συστήµατος του Ε.Μ.Π. παρουσιάσθηκε µόνο στην περίπτωση που η οριζόντια ανάλυση των δορυφορικών δεδοµένων µειώθηκε στα 2 km. Παρουσιάσθηκε, επίσης, η στατιστική ανάλυση που πραγµατοποιήθηκε για το σύνολο των 4 περιπτώσεων κοινών µετρήσεων για υπερπτήσεις του δορυφόρου πάνω από την Αθήνα. Έγινε µία πρώτη προσέγγιση για την µελέτη των ποσοστιαίων διαφορών µεταξύ των δύο συστηµάτων κατά την διάρκεια πρωινών και βραδινών µετρήσεων. Καλύτερη συµφωνία βρέθηκε να έχουν οι βραδινές µετρήσεις εντός της ελεύθερης τροπόσφαιρας. Για την περιοχή µεταξύ 3-1 km η συµφωνία είναι της τάξεως του 22% για πρωινές µετρήσεις και της τάξεως του 8% για τις νυχτερινές. Οι διαφορές στα 3 πρώτα km της τροπόσφαιρας βρέθηκαν να είναι πολύ µεγαλύτερες. Αυτό µπορεί να οφείλεται κυρίως στην ανοµοιογένεια των αιωρούµενων σωµατιδίων εντός του ατµοσφαιρικού οριακού στρώµατος στο οπτικό πεδίο των δύο συστηµάτων καθώς, επίσης, και στην µη πλήρη επικάλυψη του επίγειου συστήµατος lidar στα πρώτα 5 m της ατµόσφαιρας. Η δεύτερη κατηγοριοποίηση έγινε µε βάση την παρουσία ή την απουσία νεφών cirrus στην πορεία του δορυφόρου. Οι µέσες ποσοστιαίες διαφορές για την περιοχή των 3-1 km βρέθηκαν ίσες µε -17±16% στην περίπτωση του καθαρού ουρανού και -77±12% στην περίπτωση όπου υπήρχαν λεπτά νέφη cirrus. Όλα αυτά τα αποτελέσµατα όχι µόνο παρουσιάζουν τους περιορισµούς των δορυφορικών, αλλά και των επίγειων συστηµάτων lidar, αλλά αποδεικνύουν και την ανάγκη συνεργασίας µεταξύ των δύο συστηµάτων για την παρατήρηση και τελικά την προσφορά µίας πλήρους κατακόρυφης κατανοµής- δοµής των αιωρούµενων σωµατιδίων και των νεφών στην ατµόσφαιρα. Το Παραδοτέο αυτό ολοκληρώθηκε πλήρως και σύµφωνα µε το χρονοδιάγραµµα του παρόντος έργου. 11
12