Università degli Studi di Roma SapienzaDipartimento di Scienza e Tecnica della Informazione e dellaDipartimento di Scienza e Tecnica della Informazione e della

Telecomunicazione (INFOCOM)

Relazione del primo anno di dottorato di ricerca in Telerilevamento

XXIII ciclo

Dott. Davide Dionisi

Istituto di scienze dell’atmosfera e del clima

Gruppo di telerilevamento atmosferico Rayleigh

F. Congeduti, G. L. Liberti, F. Cardillo

Gruppo di telerilevamento atmosferico Rayleigh-Mie-Raman

g , ,

Collaborazioni:

S i D’A i CNRS P i i F i

P Keckhut A Hauchecorne J Porteneuve N Mountoux

Service D’Aeronomie, CNRS, Parigi, Francia.Gruppo COS

P. Keckhut, A. Hauchecorne, J. Porteneuve, N. Mountoux,C. Hoareau

SommarioSommario

• Studio del vapore acqueo atmosferico e deicirricirri

• Sviluppo di una procedura di calibrazione• Sviluppo di una procedura di calibrazioneper il Lidar Raman

Vapore acqueo atmosferico

• Importanza meteorologica (processi a scala locale e a tempiImportanza meteorologica (processi a scala locale e a tempibrevi): motore termodinamico nel sistema climatico terrestre;mezzo privilegiato per il trasferimento di energia strettamentelegato ai fenomeni di circolazione e di trasporto locali e globali;

l l i lt i ltit di di i i hi i h imolecola coinvolta in una moltitudine di reazioni chimiche sianel PBL che nell’ UTLS.

• Importanza climatologica (processi a scala globale e a lungotermine): principale gas serra che partecipa al bilanciotermine): principale gas serra che partecipa al bilancioradiativo, responsabile per circa due terzi dell’effetto serranaturale. Interazioni con aerosol, nubi e gas di origineantropica.p

Il vapore acqueo, malgrado le basse concentrazioni, svolgep q g gun ruolo importante nel bilancio radiativo nell’UTLS.Necessario uno sviluppo delle tecniche osservative per unadeterminazione accurata della sua concentrazione,determinazione accurata della sua concentrazione,distribuzione verticale e variabilità in questa regioneatmosferica.

Nubi cirriformiLe condizioni di Le condizioni di

saturazione dell’acqua ed una temperatura prossima a -20°C

permettono la formazione pdi goccioline d'acqua che

ghiacciano immediatamente. I risultanti cristalli di

ghiaccio, sopravvivono fintantoché l'umidità rimane vicina alla

saturazione rispetto al pghiaccio. La rapidità del raffreddamento, e il tipo di abbondanza di nuclei di congelamento, hanno g ,

un effetto su forma e frequenza delle nubi

cirriformi.

Composizione

I cirri sono localizzati in regione atmosfericheove le temperature sono compresegeneralmente tra −20 e −30◦C e sono dunquegeneralmente tra −20 e −30◦C e sono dunquecomposti da cristalli di ghiaccio. La forma e ladimensione di tali cristalli sono, in primo luogo,controllati dalla temperatura dall’umiditàcontrollati dalla temperatura, dall umiditàrelativa e dalla velocita di formazione dentro lanube.

Dimensioni:• 10-1000 µm per le medie latitudine• 10-2000 µm per i tropici10 2000 µm per i tropici• >40 µm per le alte latitudini

Proprietà radiativeLa quantità di radiazione solare che i cirri assorbono, riflettono e trasmettonoLa quantità di radiazione solare che i cirri assorbono, riflettono e trasmettonodipende da:

• Copertura (estensione orizzontale)p ( )• Posizione in quota• Spessore• Forma e dimensione dei cristalli.

Analogamente la quantità di radiazione infrarossa proveniente dalla superficieterrestre e dall’atmosfera che i cirri riflettono e trasmettono e quella che allostesso tempo essi stessi emettono dipende anche dalla temperatura.

Nella discussione della relazioni tra cirri e clima, questi parametri sonofondamentali in quanto regolano il bilancio tra l’effetto di albedo solare e l’effettoserra. Il contributo relativo di questi due effetti viene stimato tramite cloudradiative forcing, la differenza cioè tra i flussi radiativi al top dell’atmosfera incondizioni di atmosfera chiara e di atmosfera nuvolosa.

0CF R R=< > − < >0x x xCF R R< > < >

Attività umana e cirri

Il riscaldamento dell’atmosfera terrestre dovuto ai gas serraantropogenici causa numerosi effetti sui parametri che

tt i i i icaratterizzano i cirri:

• Variazione dell’estensione orizzontale e della posizione in quota. Feedback positivo, entita e grado non determinato.

• Variazione del contenuto di ghiaccio e della dimensione deicristalli. Feedback non determinato

L’attività umana provoca la formazione dei cosidetti cirrus contrailprodotti dalle scie degli aerei (formazione di gocce di H2O dasoot e acido solforico che a T sufficientemente bassesoot e acido solforico che a T sufficientemente basseghiacciano). Effetti: aumento dell’estensione superficiale dei cirrinaturali, formazione di cirri in regioni in cui la T disupersaturazione del ghiaccio è troppo bassa per unasupersaturazione del ghiaccio è troppo bassa per unaformazione naturale.

Cirri ed i cambiamenti climatici

I cirri rappresentano una delle maggiori incertezze nella valutazione delcambiamento climatico. Lo studio degli eventi di cirri e delle loro proprietàottiche è un punto critico per i modelli climatici.ottiche è un punto critico per i modelli climatici.

Attualmente, la determinazione del cloud radiative forcing dovuto ai cirriattraverso la caratterizzazione delle loro proprietà radiative èinsufficiente.

• Impossibilità di calcolare analiticamente le proprietà di assorbimento ediffusione dei cristalli di ghiaccio e di modelizzare accuratamente ladiffusione dei cristalli di ghiaccio e di modelizzare accuratamente laposizione in quota dei cirri tramite modelli termodinamici• Mancanza di osservazioni ad alta risoluzione verticale ed alta sensitività

Tecniche di utilizzate:

• tecniche di telerilevamento passive da satellitetecniche di telerilevamento passive da satellite• misure in-situ• tecniche di telerilevamento attive (Lidar).

Misure di cirri tramite lidar

Parametri dei cirri misurabili tramite Lidar:

• altezza geometrica assoluta;• altezza geometrica assoluta;• spessore;• coefficiente di retrodiffusione (legato al numero di particelle, alla lorodimensione ed all'efficienza media di retrodiffusione);dimensione ed all efficienza media di retrodiffusione);• variabilità temporale• vapore acqueo

Collaborazione con il gruppo francese del Service d'Aeronomie per lostudio combinato dei cirri tramite i Lidar dei due osservatori.

Studio del ciclo dell’acqua a partire da 2 lidar in zona

dit i

Rome-Tor Vergata Haute- Provence

Site Location:41.8°N, 12.6°E Site Location: 43.55°N, 5.42°E

Transmitter Transmitter

mediterranea: approccio statistico e lagrangiano

Laser Type: Nd:YAG Laser Type: Nd:YAG

Wavelenght: 532 nm-355 nm Wavelenght: 532 nm

Energy per pulse: 200 mJ-400 mJ Energy per pulse: 400 mJ

Pulse repetition rate: 10 Hz Pulse repetition rate: 50 Hzp p

beam diameter: 45 mm beam diameter: 20 mm

beam divergence: 0.1 mrad beam divergence: 0.4 mrad

Receiver Receiver

Type of telescope: Newtonian array Type of telescope: Newtonian

Diamterer:9* 500 mm,1*300 mm, 1*150 mm, F3 Diamterer:1* 800 mm, F3

FOV: 0.6 mrad, 0.9 mrad, 1.8 mrad FOV: 0.5mrad

optic fiber: yes optic fiber: yesp f y p f y

Data acquisition Data acquisition

Raman channels:387 nm (N2) Raman channels:607 nm (N2)

407 nm (H2O) 660 nm (H2O)

Elastic channels: 532 nm Elastic channels: 532 nm

Sounding range (km): 0.1-15 (Raman) Sounding range (km): 2-10 (Raman)

0.5-80 (elastic) 0.2-30 (elastic)

Time resolution (min): 1 Time resolution (min): 3

Vertical resolution (m): 75 Vertical resolution (m): 75

Studio del ciclo dell’acqua a partire da 2 lidar in zonamediterranea: approccio statistico e lagrangianomediterranea: approccio statistico e lagrangiano

Programma:

• Definizione di una metodologia di misure Lidar comune (cirri, vaporel) ti l tt i ll lib i d ll iacqueo, aerosol) con particolare attenzione alla calibrazione della misura

Raman del vapor d’acqua.

Misure congiunte per stabilire delle climatologie comparate dei cirri e• Misure congiunte per stabilire delle climatologie comparate dei cirri edel vapore acqueo.

• Misure congiunte per condurre osservazioni della stessa massa d'aria• Misure congiunte per condurre osservazioni della stessa massa d arialegate alle previsioni di un modello di traiettorie lagrangiane (Flexpart).

Obiettivi

• Caratterizzare i cirri ed il vapore acqueo in alta troposferanella regione mediterranea (tramite osservazioni Lidar);

• Validare misure satellitari di cirri e vapore acqueo

Studiare i processi di formazione ed evoluzione di cirri e• Studiare i processi di formazione ed evoluzione di cirri edella distribuzione verticale del vapore acqueo UTLS

I l il d ll di f i d i i i l d ll• Implementare il modello di formazione dei cirri nel modelloMIMOSA (Modèle Isentropique de Transport Méso-échelle del'Ozone Stratosphérique par Advection).

SommarioSommario

• Studio del vapore acqueo atmosferico e deicirricirri

• Sviluppo di una procedura di calibrazione• Sviluppo di una procedura di calibrazioneper il Lidar Raman

Rayleigh-Mie-Raman Lidar

Rayleigh-Mie-Raman Lidar

TRANSMITTERLaser Nd:YAG Continuum Powerlite 8010

Energy: 400 mJ @ 355 nm, 200 mJ @ 532 nm,

Pulse repetition rate: 10 Hz Pulse duration: 7 nsBeam divergences: 0.2 mrad (with 4× beam expanders)

Rayleigh-Mie-Raman Lidar

RECEIVERCollector 1: Single newtonian F/3Collector 1: Single newtonian F/3 telescope (nighttime & daytime)

Diameter: 0.15 m Field of view: 1.8 mradfor lower range elastic baksc.

Rayleigh-Mie-Raman Lidar

RECEIVERCollector 2: Single newtonian F/3 telescope

Diameter: 0.3 m Field of view: 0.9 mrad (nighttime), 0.45 mrad (daytime)for lower range Raman backsc. and middle range elastic backsc.

Rayleigh-Mie-Raman Lidar

RECEIVERCollector 3: Array of 9 newtonian F/3 telescopes (nighttime)

Diameter: 0.5 m each (total collecting area ∼1.75 m2)Field of view: 0.6 mrad

for upper range Raman backsc. and upper range elastic backsc.

Rayleigh-Mie-Raman Lidar: prodottiprodotti

Risoluzione di acquisizione Risoluzione dopo elaborazione dati• verticale: 75 m • verticale: 75 m @ Z< 6 km

525 m @ Z> 6 km (7-pts smooth)• temporale: 1 min • temporale: 1 − 30 min

G d t f i h i t ( i i tt )Grandezze atmosferiche misurate (sessioni notturne)

• Profili verticali di WV: ~75 m fino all’UTLS

• Profili verticali degli aerosol: ~500 m fino alla stratosfera

• Profili verticali di T: alta stratosfera e mesosfera• Profili verticali di T: alta stratosfera e mesosfera

• Posizione delle nubi

• Struttura ed altezza dello strato limite

Metodi di calibrazione

•Calibrazione dipendente tramite confronto con profili di vapore acqueo misurati da altri strumenti (radiosonde o radiometri a microonde, F t l 1995 T t l 1999 S k i t l 2007)Ferrare et al. 1995, Turner et al. 1999, Sakai et al. 2007);

•Calibrazione atmosferica, assumendo la saturazione alla base delle nubi (Evans et al 2000 Whiteman et al 2001)nubi (Evans et al. 2000, Whiteman et al. 2001)

•Calibrazione indipendente, utilizzando le sezioni d'urto di retro-diffusione e le efficienze di rivelazione (Vaughan et al 1988 Sherlock etdiffusione e le efficienze di rivelazione (Vaughan et al. 1988, Sherlock et al. 1999, Whiteman, 2003).

A causa della larga disponibilità, la relativa facilità nell'utilizzarli eduna migliore accuratezza nei risultati, il metodo più utilizzato è lacalibrazione tramite radiosondaggio.calibrazione tramite radiosondaggio.

Calibrazione / validazione → radiosondaggi del servizioCalibrazione / validazione → radiosondaggi del serviziometereologico dell’Aeronautica Militare a Pratica di Mare, 25 km asud-ovest della stazione lidar

Calibrazione tramite radiosonda

Utilizzando la misura assoluta, wcal(z), presa dalla radiosonda, lacostante C* puó essere stimata come:

[ ][ ]

1 2*

1 2

::

cal

uncal

w z zC

w z z=

[ ]1 2uncal

( )* , ,uncal calC w w e s t z∆ = ∆ + ∆ + ∆

La calibrazione del Lidar Raman tramite radiosonda avviene secondo duefasi:fasi:

• Selezione del miglior intervallo tra i vari profili lidar (wuncal[z1:z2]) diuna singola sessione di misure da comparare con il profilo della

di d ( [ 1 2])radiosonda (wcal[z1:z2]);

• Regressione matematica tra l'intervallo lidar selezionato e quelloRegressione matematica tra l intervallo lidar selezionato e quellocorrispondente della radiosonda per il calcolo della costante dicalibrazione.

Procedura di calibrazione: esempio

Profilo Lidar profileIntervallo ottimale di correlazioneRDS di Pratica di Mare (23:00 UT)

Per applicare la stessa procedura a tutte le sessioni di misura è necessario che siadottino, nella selezione del profilo ottimale, gli stessi criteri. Quattro sono iparametri fissati per la scelta univoca dei sotto intervalli del profilo lidar da

1. Dimensione (nl) in numero di punti dell'intervallo verticale utilizzatoper la correlazione lidar/radiosonda

2 T di i t i ( t) d i fili lid

p p pcorrelare con i corrispondenti (in altezza) intervalli del profilo della radiosonda:

2. Tempo di integrazione (nt) dei profili lidar3. Intervallo verticale totale (∆z)4. Intervallo di tempo considerato per i test di correlazione (∆t)

Parametri selettivi: nt, ∆t, ∆z, nl

ntDati Lidar Dati RDS

zrnnlz

r1

r2

nlnl

t dtrds t0

∆z|trds-t0|< ∆t

t0t trdsrds t0

r1(t0) r2(t0) rn(t0)

0

Parametri selettivi: nt, ∆t, ∆z, nl

ntDati Lidar Dati RDS

zrnnlz

r1

r2

nlnl

t dtrds t1

∆z|trds-t1|< ∆t

t1t trdsrds t1

r1(t0) r2(t0) rn(t0)

1

r1(t1) r2(t1) rn(t1)

Parametri selettivi: nt, ∆t, ∆z, nl

ntDati Lidar Dati RDS

zrnnlz

t dtrds t

∆z|trds-tn|< ∆t

tnt trdsrds tn

r1(t0) r2(t0) rn(t0)

n

r1(t1) r2(t1) rn(tn)rn(t1)

wlid(t ;z1:z2)rmaxwlid(tmax;z1:z2)wrds(z1:z2)

C

Risultati

Valori ottimali dei parametri:Valori ottimali dei parametri:

Dimensione sotto-intervallo nl = 3 kmTempo di integrazione nt= 10 minTempo di integrazione nt= 10 minIntervallo verticale totale ∆z = 3 – 9 kmDifferenza temporale ∆t = ± 120 min

∆C/C = 10 %

Questo valore puó essere assunto come l’errore sistematico dovuto allaQuesto valore puó essere assunto come l errore sistematico dovuto alla calibrazione

ConclusioniÈ stata elaborata una procedura semi automatica di calibrazione che permette diapplicare la stessa procedura di calibrazione a tutte le sessioni di misura. Lavariabilità della calibrazione, espressa in termini di deviazione standard, è pari circa

Il contributo predominante nell'incertezza della costante di calibrazione è dovuto allavariabilità fisica del vapore acqueo tra i due siti di misura. In presenza di particolarieventi atmosferici (saharian dust) il termine di estinzione differenziale da aerosol

al 10% per il periodo considerato (Febbraio 2007-Settembre 2008).

eventi atmosferici (saharian dust), il termine di estinzione differenziale da aerosolpuó causare un errore non trascurabile.La procedura descritta è divenuta operazionale per la calibrazione del lidar RMR diTor-Vergata.

h l b h d l b

Obiettivo: migliorare la caratterizzazione dell’errore tramite comparazione con altrimetodi di calibrazione

Authors Calibration method Calibration error

Vaughan et al. (1988) independent calibration 12%

F l (1995) di d i 3 5%Ferrare et al. (1995) radiosonde comparison 3-5%

Sherlock et al. (1999) independent calibration 12-14%

Turner et al. (1999) radiometer comparison 10%

Whiteman et al (2001) base cloud calibration 10 15%Whiteman et al. (2001) base-cloud calibration 10-15%

Sakai et al. (2007) radiosonde comparison 8%

This work radiosonde auto-comparison 10%

PubblicazioniLiberti, G.L, F.Cheruy, F.Congeduti, D.Dionisi, C.Transerici and L.Velea ,2007. Caratterizzazionedella variabilità spazio-temporale del vapor d’acqua come diagnostico per un modello di clima. In‘Clima e Cambiamenti climatici: le attività di ricerca del CNR’. Eds. B.Carli, G.Cavarretta,M.Colacino and S.Fuzzi, 35-38, CNR. IT. ISBN 978-88-8080-075-0.

D. Dionisi, F. Congeduti, G.L. Liberti, F. Cardillo. Automatic calibration procedure for Raman lidarwater vapor profiles through not co-located operational radiosoundings.Proceedings of 24st International Laser Radar Conference, Boulder, 1037-1041, 2008.

Partecipazioni a congressi

COST Action ES0604: Atmospheric Water Vapour in the Climate System (WaVaCS). (21-23 maggio 2008 Lindeberg, Germania)F. Congeduti, D. Dionisi, G. Liberti. Water vapor measurements by ground based remotesensing (Raman lidar) at mid latitude (Relatore F Congeduti)sensing (Raman lidar) at mid latitude. (Relatore F. Congeduti)

2nd HyMeX workshop. (2-4 giugno 2008 Palaiseau, Francia)F. Congeduti, G. Liberti, G. Pappalardo, A. Di Sarra, D. Fuà, M. Cacciani, D. Dionisi, T. DiIorio D Meloni Raman LIDAR sites in the central Mediterranean (Poster)Iorio, D. Meloni. Raman LIDAR sites in the central Mediterranean. (Poster)

24th International Lidar Radar Conference. (23-27 giugno Boulder, Colorado-USA)D. Dionisi, F. Congeduti, G. Liberti, F. Cardillo. Automatic calibration procedure for ramanlidar water vapor profiles through not collocated operational radiosoundings (Poster)lidar water vapor profiles through not collocated operational radiosoundings. (Poster)