2.3 Studium przypadku: napływ aerozolu antropogenicznego 7-8
2.3.4 Pomiary satelitarne
Występujące w dniach 7 - 8 sierpnia 2007 nad Andenes zachmurzenie uniemożliwiło bezpośrednie wykorzystanie informacji satelitarnej dla tego obszaru. Analizując położenie cząstek powietrza wzdłuż trajektorii wstecz-nych, znaleziono bezchmurne okno w rejonie Morze Północnego oraz krajów Beneluksu około południa 5 sierpnia 2007 (rysunek 2.15). Brak chmur w tym czasie i rejonie potwierdzają dodatkowo sondaże aerologiczne z Ekofisk i De Bilt (rysunek 2.16 i 2.17). W świetle analizy przedstawionej w rozdziale 2.3.1 (rysunek 2.6) można z dużą pewnością domniemywać, że obserwowana w tym czasie i miejscu masa powietrza była tą samą, która dotarła nad Andenes w dniach 7 - 8 sierpnia.
Pomiędzy 12:30 a 12:44 UTC 5 sierpnia 2007 nad Morzem Północnym (patrz rysunek 2.17) przemieszczał się satelita CALIPSO (NASA), wyposa-żony w lidar o częstościach 532 nm oraz 1064 nm (rozdział 1.5.2). Rysu-nek 2.18 przedstawia współczynniki ekstynkcji uzyskane na podstawie ze-branych sygnałów lidarowych za pomocą algorytmu opisanego w artykule (Young i Vaughan, 2009), udostępnione przez NASA Langley Research Cen-ter, http://eosweb.larc.nasa.gov/. W pobliżu powierzchni Ziemi widoczne są rozpraszające promieniowanie warstwy, które w związku z brakiem chmur mogą być interpretowane jako warstwy aerozolu. Taką interpretację
po-Rysunek 2.16: Sondaże aerologiczne z Ekofisk i de Bilt, 12:00 UTC, 5 sierpnia 2007. Źródło: http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html
Rysunek 2.17: Trajektoria satelity CALIPSO z dnia 5 sierpnia 2007 oraz stacje, z których pochodzą sondaże przedstawione na rysunku 2.16
a) dlugosc geograficzna [stopnie]
Rysunek 2.18: Współczynniki ekstynkcji [km−1] dla fal długości 1064 nm (a) i 532 nm (b) odzyskane z sygnałów zebranych za pomocą lidaru CALIOP na po-kładzie satelity CALIPSO 5 sierpnia 2007 nad Morzem Północnym (trajektoria - rysunek 2.17). Dane dzięki uprzejmości Atmospheric Science Data Center przy NASA Langley Research Center.
twierdzają również wyniki automatycznego algorytmu identyfikacji sygna-łów (Winker et al., 2003; Omar et al., 2009), przedstawione na rysunku 2.19: nad obszarem pomiędzy 1◦23’ a 6◦ długości geograficznej wschodniej zidentyfikowano w pobliżu Ziemi warstwę aerozolu. Wykresy depolaryzacji sygnału lidarowego dla tego rejonu są bardzo zaszumione i nie pozwalają na wysnucie jednoznacznych wniosków na temat specyficznych własności aero-zolu. Jednak w połączeniu z informacjami o współczynnikach ekstynkcji w poszczególnych kanałach i innymi danymi pozwoliły oprogramowaniu opi-sanemu w pracy (Omar et al., 2009) na dalszą klasyfikację sygnałów lida-rowych (rysunek 2.20). Nad wyróżnionym obszarem zaobserwowano przede wszystkim zanieczyszczony aerozol kontynentalny oraz zanieczyszczony pył mineralny, ze śladami czystych aerozoli kontynentalnego, morskiego i pyłu.
Podobne sygnały obserwowano w rejonie krajów Beneluksu, Morza Północ-nego oraz Skandynawii także w nocy 6 sierpnia 2007 (przelot w okresie 2:07–
2:20 UTC), jednak w tym terminie wiarygodność wyników była osłabiona przez obecność chmur wysokich, których warstwa oddzielała lidar satelitarny od obserwowanego aerozolu.
Rysunek 2.19: Klasyfikacja obserwowanych struktur przez algorytm satelity CALIPSO dla przelotu nad Morzem Północnym i Europą Zachodnią, 5 sierpnia 2007.
Legenda:
1 - czyste powietrze, 2 - chmura,
3 - aerozol,
4 - obserwacja z rejonu stratosfery, 5 - powierzchnia Ziemi,
6 - poniżej powierzchni Ziemi, 7 - sygnał całkowicie stłumiony, n - duża niepewność.
Na osi poziomej szerokość (Lat) i długość (Lon) geograficzna. Źródło ilustracji:
http://www-calipso.larc.nasa.gov/
.
Rysunek 2.20: Klasyfikacja typów aerozolu przez algorytm satelity CALIPSO dla przelotu nad Morzem Północnym i Europą Zachodnią, 5 sierpnia 2007.
Legenda:
N/A - brak danych, 1 - czysty aerozol morski, 2 - pył mineralny,
3 - zanieczyszczony aerozol kontynentalny, 4 - czysty aerozol kontynentalny,
5 - zanieczyszczony pył mineralny, 6 - dym.
Na osi poziomej szerokość (Lat) i długość (Lon) geograficzna. Źródło ilustracji:
http://www-calipso.larc.nasa.gov/
.
Aerozol obserwowany za pomocą Caliope nad Morzem Północnym znaj-dował się w dolnej części troposfery, jednak, jak opisano w punkcie 2.3.1, był to obszar ruchów zstępujących związanych z występowaniem ośrodka wyżowego. Trajektorie wsteczne wskazują, że powietrze i aerozole z różnych warstw podlegały tu mieszaniu a w drodze nad północną Skandynawię były unoszone wyżej.
Na podstawie profili ekstynkcji wyznaczono grubości optyczne kolumn dla długości fal 532 i 1064 nm, a następnie - wartości wykładnika ˚Angstr¨oma Średnia wartość wykładnika w obserwowanej warstwie wyniosła 1,4 ± 0,9.
Średni wykładnik ˚Angstr¨oma obliczony dla danych z dnia 7 sierpnia 2007 w Andenes, z wykorzystaniem pomiarów fotometrycznych dla kanałów 500 i 1020 nm (najbardziej zbliżone do kanałów lidaru satelitarnego) wyniósł 1,3 ± 0,2 a dla danych z 8 sierpnia 1,52 ± 0,09. Zmienność przestrzenna war-tości wykładnika ˚Angstr¨oma oszacowana na podstawie danych satelitarnych była większa niż zmienność czasowa nad Andenes. Prawdopodobnie nad Mo-rzem Północnym i Europą Zachodnią istotną rolę odegrały lokalne źródła aerozolu, podczas gdy do punktu pomiarowego na Andøyi dotarła dobrze już wymieszana masa powietrza. Wyższa wartość wykładnika 5 sierpnia sugeruje większy udział drobnych cząstek w całkowitej masie aerozolu w porównaniu z aerozolem obserwowanym w Andenes.
2.4 Podsumowanie
W powyższym rozdziale przedstawiono przykład kampanii pomiarowej w ramach której badano optyczne własności aerozolu atmosferycznego z wy-korzystaniem pasywnych i aktywnych technik teledetekcyjnych. Na podsta-wie pomiarów lidarowych i fotometrycznych, w których uczestniczyła, au-torka wyznaczyła własności aerozolu takie jak grubość optyczna, współczyn-nik ekstynkcji promieniowania w aerozolu, wykładwspółczyn-nik ˚Angstr¨oma informu-jący o rozmiarach obserwowanych cząstek.
Wykładniki ˚Angstr¨oma oraz współczynniki ekstynkcji obliczone dla aero-zolu obserwowanego 7 sierpnia 2007 rano nad Andenes mają wartości istot-nie podwyższone w porównaniu z przeciętnymi warunkami odnotowywanymi w czasie kampanii, co można powiązać z obecnością aerozolu składającego się z cząstek drobniejszych niż zazwyczaj występujące w obszarze arktycznym (Hess et al., 1998). 8 sierpnia grubości optyczne spadały.
Ze względu na brak możliwości uzyskania dodatkowych danych - w szcze-gólności depolaryzacji sygnału lidarowego przez aerozol, umożliwiającej okre-ślenie sferyczności cząstek - jedyną możliwością identyfikacji rodzaju obser-wowanego aerozolu było odtworzenie drogi, jaką napływał nad miejsce po-miarów. Transport zanieczyszczonej masy powietrza z obszaru Europy Za-chodniej nad wyspy archipelagu Vester˚alen prześledzono z wykorzystaniem wyników modelowania numerycznego oraz pomiarów satelitarnych. Analiza tych danych wykazała, że w dniach 7 - 8 sierpnia 2007 nad Andenes napływała masa powietrza niosąca aerozol kontynentalny zawierający zanieczyszczenia antropogeniczne.
Rozdział 3
Pomiary chmur: kampania TWP-ICE
3.1 Organizacja eksperymentu i warunki syn-optyczne
Kampanię pomiarową TWP-ICE (Tropical Warm Pool International Cloud Experiment) przeprowadzono w pierwszych miesiącach roku 2006 w okolicach miasta Darwin (północna Australia). Jej głównym celem były obserwacje pełnych cykli życiowych systemów chmur konwekcyjnych oraz ich wpływu na otoczenie (May et al., 2008). Chmury tropikalne, zarówno w for-mie płytkich, niedających opadu cumulusów jak i rozbudowanych cumu-lonimbusów, którym towarzyszą intensywne opady, mają istotne znaczenie dla bilansu energetycznego atmosfery. Zrozumienie i sparametryzowanie ich własności na potrzeby modeli klimatu pozwoli zmniejszyć związane z nimi niepewności.
Pośród organizatorów kampanii znalazły się amerykańskie instytucje uczestniczące w projekcie ARM (Atmospheric Radiation Measurement) De-partamentu Energii Stanów Zjednoczonych: NASA, Australijskie Biuro Mete-orologiczne (BoM ), Organizacja Naukowych i Przemysłowych Badań Wspól-noty Narodów (CSIRO - Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) oraz przedstawiciele szeregu uczelni.
Eksperyment obejmował pomiary teledetekcyjne (radarowe, lidarowe, sa-telitarne) i in situ prowadzone w kilku lokalizacjach, także na morzu i w po-wietrzu. Rysunek 3.1 przedstawia lokalizację punktów pomiarowych, z
któ-Rysunek 3.1: Miejsca prowadzenia pomiarów w trakcie kampanii TWP-ICE - sta-cje pomiarowe ARM oraz BRMC. Mapy stworzone z użyciem witryny Planiglobe - http://www.planiglobe.com
rych pochodzą dane wykorzystywane w niniejszej pracy. Główna stacja po-miarowa ARM umiejscowiona jest na lotnisku w Darwin, z którego startują między innymi samoloty badawcze. Tu zainstalowany jest radar chmurowy (MMCR -Millimeter-wave Cloud Radar ) opisywany w rozdziale 3.2 (rysunek 3.2).
Osiem kilometrów na północny wschód od stacji ARM znajduje się stanowisko Centrum Badawczego Australijskiego Biura Meteorologicznego (BMRC - Bureau of Meteorology Research Center ), gdzie podczas ekspery-mentu umieszczono między innymi disdrometry oraz radarowe urządzenia do obserwowania pionowych profili prędkości wiatru (rysunek 3.3).
W rejonie objętym eksperymentem rozmieszczono ponadto sześć stacji pomiarów aerologicznych, w których sondaże wykonywano z ponadstandar-dową częstotliwością ośmiu razy na dobę, pozwalającą na zbadanie dobowej zmienności pionowych profili mierzonych wielkości, w szczególności tempera-tury, prędkości wiatru, wilgotności (Xie et al., 2010).
Pomiary wykorzystywane w niniejszej pracy pochodzą z okresu pomię-dzy 18 stycznia i 2 lutego 2006, a więc z pory wilgotnej związanej z wy-stępowaniem letniego (morskiego) monsunu. Okres ten wybrano ze względu
Rysunek 3.2: Stacja pomiarowa ARM na lotnisku w Darwin, kontener z radarem chmurowym (MMCR). Zdjęcia dzięki uprzejmości Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (projekt ARM).
Rysunek 3.3: Stacja pomiarowa Australijskiego Biura Meteorologicznego (BMRC). Zdjęcie dzięki uprzejmości CIRES - Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences.
Rysunek 3.4: Trasa burzy tropikalnej Daryl, 19-22 stycznia 2006. Daty znajdują się przy punktach oznaczających położenia cyklonu w południa UTC. 19 Układ utrzymywał status cyklonu tylko 20 stycznia. Mapa stworzona z użyciem witryny Planiglobe - http://www.planiglobe.com
na występowanie głębokiej konwekcji, której wiernym oddaniem w modelu są zainteresowani twórcy opisywanego w niniejszej rozprawie dwumomentowego modelu chmur.
Pojawienie się monsunu letniego u północnych wybrzeży Australii wynika z zahamowania, a czasem wręcz odwrócenia ciepłego prądu południoworów-nikowego, niosącego ciepłą wodę z Oceanu Spokojnego w rejon Oceanu Indyj-skiego, na skutek aktywności stacjonarnego wyżu rozwijającego się w rejonie Wyżyny Tybetańskiej we wrześniu i wypychającego chłodne, suche powie-trze na na południowy wschód od kontynentu azjatyckiego. Dzięki zatrzyma-niu przepływu morze Timor zamienia się w quasi-stabilny rezerwuar (ang.
warm pool) - znajdujące się w nim masy wody ulegają silnemu rozgrzaniu przez Słońce, czemu towarzyszy oczywiście zwiększone parowanie.
Intensywnemu ogrzewaniu podlega również północna część Australii.
Maksymalne temperatury w tym rejonie odnotowuje się pomiędzy grud-niem a początkiem lutego. Intensywna konwekcja nad lądem prowadzi wtedy do powstania niżów, w stronę których napływa następnie wilgotne, morskie powietrze znad morza Timor.
W pierwszych dniach pomiarów w ramach kampanii TWP-ICE (19-23 stycznia) typowa sytuacja monsunowa została zaburzona przez
ukształto-Rysunek 3.5: Mapa synoptyczna Australii z dnia 20 stycznia 2006r. U północno-zachodnich wybrzeży widoczny jest cyklon tropikalny Daryl. Nad zachodnim Qu-eensland - słaby niż termiczny. c°Commonwealth of Australia 2010, Bureau of Meteorology.
Rysunek 3.6: Mapa synoptyczna Australii z dnia 27 stycznia 2006r - okres ak-tywnego monsunu. Nad Terytorium Północnym widoczny jest głęboki niż sterujący cyrkulacją monsunową. c°Commonwealth of Australia 2010, Bureau of Meteoro-logy.
wanie się i przemieszczanie u zachodnich wybrzeży Australii słabego cyklonu tropikalnego Daryl (rysunki 3.4 i 3.5).
Od 24 stycznia cyrkulacja monsunowa z aktywnymi zjawiskami została przywrócona przez pojawienie się niżu nad Morzem Salomona. Pogłębienie i przesunięcie w głąb lądu niżu termicznego nad Terytorium Północnym (Wang et al., 2009) przyniosło od 26 stycznia tzw. pogodę „umiarkowanie monsu-nową”, charakteryzującą się nieco słabszymi wiatrami zachodnimi i umiar-kowanymi opadami (rysunek 3.6).
3.2 Instrumenty
Radar chmurowy MMCR
Wykrywanie i obserwacja struktury chmur przez radary chmurowe jest możliwa dzięki zastosowaniu skupionych wiązek, krótkich impulsów sprzyja-jących detekcji małych hydrometeorów, dużych rozdzielczości oraz często-tliwości - najczęściej 35 GHz lub 94 GHz (fale o długościach odpowied-nio ok. 8,6 mm oraz 3,2 mm). Wykorzystany podczas kampanii TWP-ICE MMCR używa częstotliwości 35 GHz. Wadą podobnych urządzeń jest to, że ich sygnały są silnie tłumione przez strefy opadów, mogące występować po-między radarem a obserwowaną chmurą. Aby zapewnić krótką drogę wiązki radarowej przez tłumiący promieniowanie ośrodek, antena MMCR - podobnie jak wielu innych radarów chmurowych (Frisch et al., 1995; Clothiaux et al., 1995; Hogan et al., 2005) - skierowana jest pionowo do góry.
Impulsy emitowane przez MMCR mają stosunkowo niewielką moc maksy-malną (zaledwie 100 W). Średnią moc wystarczającą do wykrywania chmur zapewnia wysoki współczynnik wypełnienia1 (nawet do 25%), uzyskiwany dzięki podziałowi długich (do 20 µs) impulsów na dużo krótsze (0,3 a 0,6 µs) podimpulsy (kodowanie bifazowe). W zależności od ustawień urządzenia, czas pomiędzy impulsami zmienia się od 68 do 126 µs. Pomiary odbiciowości, średniej pionowej prędkości powietrza i widma dopplerowskiego są rejestro-wane dla poziomów od 0,1 do 10 lub 20 km, z rozdzielczością kilkudziesięciu metrów i częstością powtarzania 20kHz. Szczegóły konstrukcji urządzenia znaleźć można w artykule Moran et al. (1998).
1Współczynnik wypełnienia to stosunek czasu emisji pojedynczego impulsu do jego okresu.
Rysunek 3.7: Minimalne sygnały rejestrowane przez MMCR w zależności od trybu pracy urządzenia oraz wysokości (Clothiaux et al., 1999). Linie łamane -wyniki pomiarów, krzywe - -wyniki dopasowania równania radarowego do danych z pomiarów czystego nieba, ekstrapolowane w zakresie pomiarowym.
1 - tryb dla chmur niskich, 2 - tryb dla chmur wysokich, 3 - tryb uniwersalny,
4 - tryb dla opadów.
Czułość MMCR jest funkcją odległości od instrumentu oraz wybranego trybu działania (do wyboru są tryby pozwalające na trafną detekcję chmur ni-skich, chmur wysokich lub opadów oraz tryb uniwersalny) (Clothiaux et al., 1999). Charakterystyki czułości - minimalne wykrywane sygnały - przed-stawione są na zaczerpniętym z artykułu Clothiaux et al. (1999) rysunku 3.7. Różnice czułości pomiędzy poszczególnymi trybami wynoszą od kilku do około 20 dBZ. Czułość maleje wraz ze wzrostem odległości od urządze-nia (np. dla trybu uniwersalnego minimalny wykrywany sygnał to -50 dBZ na wysokości 2 km oraz -47 dBZ na poziomie 15 km).
W niniejszej rozprawie wykorzystuje się wstępnie przetworzone dane ra-darowe zamieszczone w bazie danych ARM, w których odbiciowości rara-darowe
są określone z wykorzystaniem pomiarów prowadzonych we wszystkich czte-rech trybach. Ich przygotowanie przed wprowadzeniem do bazy obejmuje:
1. wybór istotnych obserwacji, eliminację widocznych błędów,
2. interpolację danych zebranych w poszczególnych trybach do jednolitej siatki czasowo-przestrzennej,
3. wybór najlepszych obserwacji dla każdego punktu siatki, przy czym:
- w każdym punkcie dane o odbiciowości, prędkości i widmie dopplerow-skim pochodzą z tego samego trybu pomiarowego,
- eliminuje się artefakty powstałe przy uśrednianiu lub jako efekt długo opóźnionych ech2,
- dąży się do tworzenia w obrębie siatki obszarów danych pochodzących z pomiarów w tym samym trybie.
Tak przetworzone dane są określane akronimem ARSCL - Active Remote Sensing Cloud Layer (Clothiaux et al., 2000).
Disdrometr
Zadaniem disdrometru są pomiary rozkładu wielkości kropel opadowych oraz sumarycznego natężenia opadu. Podczas kampanii TWP-ICE wykorzy-stywano disdrometry impaktowe firmy Distromet, model RD-80 (rys. 3.8), zliczające cząstki w 20 przedziałach wielkości, od 0,3 do 5,4 mm średnicy.
Dodatkowo na podstawie zebranych danych obliczane są inne parametry, np.
współczynniki eksponencjalnego rozkładu wielkości dopasowywanego do wy-ników obserwacji.
Czujnik RD-80 stanowi osłonięty cylindryczną obudową styropianowy stożek, sprzężony z układem elektrycznym wykrywającym jego przemieszcze-nia. Pod wpływem uderzenia kropli opadu stożek przesuwa się w dół, co jest rejestrowane przez układ i przetwarzane na impuls elektryczny o amplitudzie proporcjonalnej do pędu a więc pośrednio i rozmiaru cząstki. Dokładność pomiaru średnicy kropel wynosi 5%.
Dane obserwacyjne zebrane za pomocą disdrometru zainstalowanego w re-jonie Darwin podczas kampanii TWP-ICE dostępne są dla dni 3 - 28 lutego 2006.
2Długo opóźnione echo - echo radarowe odebrane dopiero po emisji kolejnego impulsu lub impulsów.
Rysunek 3.8: Disdrometr Distromet RD-80 wykorzystywany w kampanii TWP-ICE. Zdjęcie dzięki uprzejmości ARM.