Badanie optycznych i fizycznych własności aerozolu atmosferycznego i cząstek chmurowych na podstawie pomiarów teledetekcyjnych

Chmury i aerozole atmosferyczne stanowią istotne elementy bilansu energetycznego Ziemi. Ze względu na ich dużą zmienność czasową i przestrzenną, pomiary in situ są niewystarczające do ich dobrego scharakteryzowania. W związku z tym w badaniu chmur i aerozoli popularne są metody teledetekcyjne, opierające się na zjawiskach oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z cząstkami materii (w szczególności - rozpraszania promieniowania). Niniejsza rozprawa dotyczy rozwiązania dwóch zagadnień z zakresu teledetekcji zjawisk i procesów atmosferycznych. W pierwszej części pracy zaprezentowano rezultaty kampanii pomiarowej MACRON (Maritime Aerosol, Cloud and Radiation Measurements in Norway), podczas której do obserwacji aerozolu wykorzystano miedzy innymi urządzenie lidarowe - ceilometr CHM15K - oraz fotometryczne - Microtops II. Pomiary, w których brała udział autorka, dokumentują mający miejsce w dniach 7 - 8 sierpnia 2007 epizod napływu w rejon arktyczny masy powietrza z niższych szerokości geograficznych, zanieczyszczonej aerozolem antropogenicznym. Na podstawie danych fotometrycznych ustalono grubość optyczną atmosfery, w której wystąpił napływowy aerozol (dla fali długości 500 nm grubości te sięgały powyżej 0,4, podczas gdy średnia dla dni bez napływu zanieczyszczonego powietrza to 0,09 ± 0,03). Wyznaczono także wartości wykładnika Angstroma, którego maksymalne wartości obserwowane w dniach 7 - 8 sierpnia sięgały 1,74 i były wysokie w porównaniu ze średnia z pozostałych dni wynosząca 1,2±0,4), co świadczyło o spadku średniego rozmiaru cząstek zawieszonych w atmosferze. Na podstawie wyników obliczeń numerycznych modeli transportu zanieczyszczeń ustalono, ze zanieczyszczona masa powietrza napłynęła z uprzemysłowionego rejonu Europy Zachodniej. Prześledzenie toru transportu masy pozwoliło autorce na porównanie obserwacji prowadzonych w Norwegii z pomiarami satelitarnymi z 5 sierpnia 2007, które uchwyciły tę samą masę powietrza nad Morzem Północnym i krajami Beneluksu. Pomiary pochodzące z satelity CALIPSO wykazały obecność w tym rejonie warstwy aerozolu o współczynnikach ekstynkcji 0,02 - 0,05 1/km. Porównanie wykładników Angstroma obserwowanych w Andenes i nad Morzem Północnym wskazują na prawdopodobieństwo wzrostu średnich rozmiarów cząstek aerozolu w czasie transportu, co mogło być związane z uwodnieniem cząstek higroskopijnych. W dalszych rozdziałach opisano prowadzone w trakcie kampanii TWP-ICE (Tropical Warm Pool International Cloud Experiment pomiary radarowe i disdrometryczne i możliwość ich wykorzystania do weryfikacji założeń i działania dwumomentowego modelu mikrofizycznego chmur. W celu testowania modelu, autorka stworzyła symulator radaru - program służący do symulowania odbiciowości radarowych na podstawie wyników badanego modelu. Program powstał w oparciu o wcześniej istniejący symulator radaru QuickBeam (Haynes et al., 2007). W napisanej przez autorkę wersji oprogramowania rozkłady wielkości hydrometeorów (w postaci zmodyfikowanych rozkładów gamma) ustalane są na podstawie dwóch momentów statystycznych (stosunków zmieszania i koncentracji cząstek) oraz udziału szadzi. W symulacjach uwzględniane są stosowane w modelu numerycznym założenia dotyczące rodzajów występujących cząstek chmurowych i opadowych: pod uwagę brane są trzy typy hydrometeorów - krople chmurowe, opadowe i kryształki lodu, o wielkościach opisywanych za pomocą związków pomiędzy masą i powierzchnią rzutu cząstki a jej maksymalnym rozmiarem.. Elementem pracy było również wyznaczenie tablic odbiciowości i tłumienia fal radarowych przez hydrometeory, którymi dla przyspieszenia działania posługuje się program. Jak wykazano, użyty w symulatorze sposób opisu rozpraszania światła przez kryształki lodu (oparty na teorii Mie), wymaga udoskonalenia - lepszego uwzględnienia kształtu cząstek rozpraszających promieniowanie. W odniesieniu do cząstek w fazie ciekłej program już teraz może być użyteczny przy porównywania wyników dwumomentowego kodu mikrofizycznego z obserwacjami.

Clouds and atmospheric aerosols are important players in the global energy budget of the Earth and its atmosphere. Clouds and aerosols vary in space and time, which causes that in situ (carried out in isolated points) measurements are insufficient to characterize them properly. Remote sensing technics allow simultaneous measurements of large areas of atmosphere (satellite sensors or scanning radars) and vertical profiles of atmosphere (radars, lidars). The basic physical mechanism used in these technics is scattering of electromagnetic waves on particles. The thesis describes observations performed during Maritime Aerosol, Clouds and Radiation Observation in Norway (MACRON experiment), which took place between July 25th and August 16th, 2007 on Andoya island, northern extremity of Vesterålen archipelago, Norway. The goal of the campaign was investigating the properties of aerosols observed in the Arctic region. Between 7th and 8th of August a flow of polluted air containing anthropogenic aerosols was observed. Sun-photometer measurements showed increased AOD values (e.g. for 500nm wavelength AOD reached 0.4 in comparison to 0.09 ± 0.03, mean AOD measured during the rest of experiment). Observed values of Angstrom exponent reached 1.74, noticeably more than on other days (1.2 ± 0.4 on average), which suggests, that during the aerosol episode mean sizes of observed particles were smaller than the average. Ceilometer measurements of aerosol backscattering in 1064nm showed a two-layered structure of atmosphere, consisting of the boundary layer aerosol and the anthropogenic aerosol layer above. Aerosol transport forecasts and back trajectories calculated from the reanalysis data shows, that the probable source of anthropogenic aerosol was Northern Germany and that the same airmass was observed by CALIPSO satellite on August 5th over the North Sea. Satellite measurements indicated a presence of an aerosol layer with 0.02 - 0.05 1/km extinction. The comparison od Angstrom components over Andenes and the North Sea suggests that the particles have increased in size during the transport - probably due to water vapor deposition. Another issue described in the dissertation is simulating radar returns on the basis of cloud modeling results. Simulation of radar returns is one of the tools for validating a new cloud microphysics code. The code includes a two-moment bulk warm rain scheme and two-moment ice microphysics scheme with prognostic rime mass fraction. Both the simulator and the cloud model share the same assumptions. Three general types of particles are taken into account: cloud droplets, drizzle drops and ice crystals; particles are characterized by modified gamma size distribution (in case of rain drops distribution is exponential); and particles are described in terms of mass and area to dimension relationships. Liquid particles are assumed to be spherical and ice crystals are treated as spheres, dense non-spherical particles, graupel or aggregates, depending on their size and rimed mass fraction. Simulator input consists of particle number concentrations, mixing ratios (for ice crystals separate mixing ratios for mass grown by riming and water vapour deposition are employed), temperature and relative humidity profiles. Pre-calculated look up tables containing particle scattering properties (radar reflectivity and attenuation) as functions of input parameters are used in order to speed up the code. The simulator is applied to deep convection conditions observed during the Tropical Warm Pool International Cloud Experiment, Darwin, Australia, January – February 2006. The simulation results are compared to data collected by the millimeter wavelength cloud radar (MMCR) situated in Darwin, Australia – one of the measurement sites of the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) program. Numerical test show, that although the simulator is already a useful tool to test the treatment of liquid particles in the model, the representation of non-spherical ice crystals in the simulation should be improved.