Synergy between ground-based remote-sensing instruments for retrieving microphysical-optical-radiative properties of atmospheric aerosols

Abstract

(English) 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.

(Català) Les millores en la recuperació de les propietats microfísiques, òptiques i radiatives dels aerosols poden: contribuir a observacions i investigacions locals més detallades, donar suport a la modelització climàtica local o global i a la previsió de la qualitat de l’aire, validar productes de satèl·lit i contribuir a les polítiques públiques. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu assolir aquestes millores mitjançant sinergies entre instruments de teledetecció terrestres. Els objectius són: (1) avaluar el potencial d’un algoritme d’inversió, concretament GRASP, per recuperar propietats dels aerosols a partir de la sinergia entre un fotòmetre solar-celeste-lunar polaritzat i un lidar multiespectral d’última generació ACTRIS/EARLINET, i (2) estimar els efectes radiatius a llarg termini dels aerosols combinant els fluxos radiatius nets mesurats amb piranòmetres i la profunditat òptica d’aerosols (AOD) obtinguda amb fotòmetres, i avaluar la capacitat de GRASP per recuperar aquests efectes cas per cas. Per assolir l’Objectiu 1, es van dur a terme proves de sensibilitat (sense soroll i amb soroll aleatori) amb GRASP per a diverses combinacions d’observacions terrestres, incloent-hi la informació de polarització com a entrada al GRASP, per a tres escenaris d’aerosols a Barcelona. Les proves van mostrar que l’addició del Grau de Polarització Lineal (DoLP) millorava les inversions de GRASP tant sense soroll com amb soroll aleatori, especialment en condicions d’AOD elevat. Els guanys més destacats es van observar en el mode gros de les propietats òptiques i en l’índex de refracció real del mode gros. Per assolir l’Objectiu 2, es va aplicar un mètode directe per estimar l’Eficiència del Forçament dels Aerosols (AFE) i el Forçament Radiatiu dels Aerosols (ARF) espectral en una base de dades de 14 anys a Barcelona. Les estimacions d’AFE-ARF van confirmar un forçament de refredament dominant sobre Barcelona, sent el pols mineral el responsable del refredament més intens, seguit pels aerosols urbans/industrials i de combustió de biomassa, i pels aerosols mixtos. A més, les inversions de GRASP amb DoLP van resultar més precises per a l’ARF, coincidint amb el mètode directe en els casos amb AOD elevat.

(Español) 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.