Lidar remote sensing and co-operative observations: Processing methods and aerosol radiative transfer

Abstract

This Ph.D. thesis focuses on: (i) the design and integration of a polarimetric channel for the multi-spectral Raman lidar station of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Remote Sensing, Antennas, Microwaves and Superconductivity Group (CommSensLab), (ii) the study of the temporal and spatial evolution of atmospheric aerosol optical, microphysical and radiative properties by means of active and passive remote sensing in the context of ACTRIS and Spanish National projects, and (iii) rainfall rate retrieval by means of a vertically-pointed ceilometer in the context of the Verification of the Origins of Rotation in Tornadoes Experiment Southeast (VORTEX-SE). The first goal of this Ph.D., tested on the UPC multi-spectral Raman lidar station, consists of developing a secondary optical receiving chain, installed next to the laser source. The secondary telescope, mounted in the optical chain, allows retrieving the cross-polarized return signal separately from the total-power signal, avoiding the need of a very precise characterization of the crosstalk parameters of the beam-splitters. The first experimental results, corresponding to a collection of atmospheric conditions over the city of Barcelona, are also presented. The second goal of this Ph.D. deals first with the GAME (Global Atmospheric Model) code, necessary to retrieve the aerosol radiative properties. The radiative fluxes estimated in the short-wave and long-wave spectral ranges at the bottom and the top of the atmosphere by GAME are compared to the ones retrieved by a different radiative transfer model, namely Two-Stream, in order to know the importance of the spectral parameterization of a radiative transfer code. Then, GAME code, in both configurations, is fed by means of three different datasets to evaluate the parameterization of the vertically-resolved properties and to assess the uncertainty of GAME when is tuned with input parameters from different sources. Afterwards, an evaluation of the seasonal variability of the aerosol background optical and radiative properties in the Western Mediterranean Basin (WMB) is performed by means of AERONET (Aerosol Robotic Network) sun-photometers data from two background sites, Ersa (Corsica Island, France) and Palma de Mallorca (Mallorca Island, Spain). In addition, in order to detect possible northeast-southwest gradients in the aerosol properties, a third site located at Abolrán (Alborán Island, Spain) is considered. Finally, during 15-24 June 2013 a moderate Saharan dust multi-intrusion was detected by some EARLINET/ACTRIS (Granada, Barcelona, Naples, Potenza and Serra la Nave (Italy)) and ADRIMED/ChArMEx (Cap d’en Font, (Minorca Island, Spain) and Ersa) stations. This Ph.D. uses this event to study the spatio-temporal evolution of the mineral dust properties, since the lidar stations were supported during the multi-intrusion by collocated AERONET sun-photometers and the Falcon 20 aircraft. Also the GAME code is used to estimate the aerosol radiaite effect during the Saharan dust event. Besides, air- and space-borne lidar measurements, satellite images and back-trajectories are used to confirm the multi-intrusion aspect of the event. The last goal of this Ph.D. pursues estimation of the rain rate (RR) from ceilometer measurements. In VORTEX-SE, a Vaisala CL-31 ceilometer, a S-band radar, and a disdrometer were deployed in Alabama during March-April 2016. First, rain-extinction coefficients from ceilometer attenuated backscatter measurements are derived by means of a modified form of the well-known slope-method. These coefficients are compared with the RRs measured by a collocated S-band radar and a disdrometer in order to get the RR-to-extinction models. Advanced covariance-weighted techniques are used to best assess and validate the estimated models. These models can be used to estimate the RR from the ceilometer in similar situations without need to have a collocated cooperative instrument permanently deployed.

Este Ph.D. se centra en: (i) en el diseño e integración de un canal polarimétrico para la estación lidar multi espectral del grupo de teledetección, antenas, microondas y superconductividad (CommSensLab) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), (ii) en el estudio de la evolución temporal y espacial de las propiedades ópticas, microfísicas y radiativas de los aerosoles por medio de teledetección activa y pasiva en el contexto de ACTRIS y proyectos estatales, y (iii) en la recuperación de intensidad de lluvia por medio de un ceilómetro en configuración vertical en el contexto del proyecto Verification of the Origins of Rotation in Tornadoes Experiment Southeast (VORTEX-SE). El primer objetivo, realizado en la estación lidar de UPC, consiste en el desarrollo de una cadena óptica secundaria instalada junto al láser. El telescopio secundario, montado en la cadena óptica, permite recuperar la componente cross-polarized de la señal total por separado, evitando la necesidad de conocer con precisión los parámetros de los beam-splitters. Se presentan también los primeros resultados obtenidos en Barcelona durante diferentes situaciones atmosféricas. El segundo objetivo de este Ph.D. se centra en el código GAME (Global Atmospheric Model), necesario para recuperar las propiedades radiativas de los aerosoles. Los flujos radiativos estimados tanto en onda larga como en onda corta en la base y en la parte superior de la atmósfera son comparados con los estimados por otro código de transferencia radiativa, Two-Stream, para conocer la importancia de la parametrización espectral. Después, el código GAME es alimentado con 3 bases de datos diferentes para evaluar la parametrización de las propiedades resueltas en altura y conocer la incertidumbre de GAME cuando es alimentado con parámetros con diferentes orígenes. Por otro lado, se presenta una evaluación de la variabilidad estacional de las propiedades ópticas y radiativas del aerosol de fondo en la cuenca oeste mediterránea (WMB) realizada con datos de fotómetros solares de la red AERONET (Aerosol Robotic Network) situados en dos puntos considerados libres de contaminación: Ersa (isla de Córcega, Francia) y Palma de Mallorca. Además, para detectar posibles gradientes noreste-suroeste en las propiedades delos aerosoles, se considera un tercer punto ubicado en la isla de Alborán. Por último, en este Ph.D. se aprovecha una multi intrusión moderada de polvo sahariano, detectada entre los días 15 y 24 de junio de 2013 por algunas estaciones EARLINET/ACTRIS (Granada, Barcelona, Nápoles, Potenza y Serra la Nave (Italia)) y ADRIMED/ChArMEx (Cap d'en Font (Menorca) y Ersa), para estudiar la evolución espacio-temporal de las propiedades del polvo mineral, ya que las estaciones lidar estaban apoyadas durante el evento por fotómetros solares pertenecientes a la red AERONET, situados junto a las estaciones lidar, y por vuelos del Falcon 20. GAME es usado para obtener también el efecto radiativo de los aerosoles durante el evento de polvo sahariano. Para confirmar el aspecto de multi intrusión se utilizan medidas lidar tomadas a bordo de aviones y satélites, imágenes satelitales y retro trayectorias. El último objetivo del Ph.D. persigue la estimación de la RR utilizando medidas de un ceilómetro. En VORTEX-SE, se desplegaron (Alabama, marzo-abril 2016) un ceilómetro Vaisala CL-31, un radar de banda S y un disdrómetro. Se han estimado los coeficientes de extinción debida a la lluvia a partir del retorno atenuado medido por el ceilómetro, utilizando una versión modificada del método de la pendiente. Estos coeficientes se comparan con las intensidades de lluvia (RR) estimadas con el radar y el disdrómetro para obtener modelos de RR-extinción. Para validarlos se utilizan técnicas avanzadas de covarianza ponderada. Dichos modelos pueden usarse para estimar la RR con un ceilómetro, en situaciones similares, sin necesidad de tener desplegado permanentemente un instrumento cooperativo.