WORKSHOP MINNIRoma, 17-18 aprile 2013

MISURE DI TELERILEVAMENTO DELL’ATMOSFERA DURANTE LA

CAMPAGNA DI TRISAIAMarco Cacciani , Vincenzo Tramontana, Giampietro Casasanta

Lab. di Remote Sensing dell’atmosfera, Dip.to Fisica

Università La Sapienza di Roma

Contenuti

1. Descrizione degli apparati strumentali: LIDAR e SODAR

2. Tecniche: stime di parametri

3. Osservazioni sperimentali sull’intera campagna

4. Stima altezza dell’ Atmospheric Boundary Layer (ABL): Metodi utilizzati

Confronto tra le stime ricavate dai due strumenti

5. Esempi di evoluzione oraria dell’ ABL

MISURE DI TELERILEVAMENTO DELL’ATMOSFERA DURANTE LA CAMPAGNA

DI TRISAIA

MISURE DI TELERILEVAMENTO DELL’ATMOSFERA DURANTE LA CAMPAGNA

DI TRISAIA

Camper Born LIDAR Experiment (CaBLE)

1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI

MISURE DI TELERILEVAMENTO DELL’ATMOSFERA DURANTE LA CAMPAGNA

DI TRISAIA

Camper Born Lidar Experiment (CaBLE)

Sorgente: • Laser impulsato Nd:YAG Handy della Quanta

System, radiazione polarizzata a 532 nm (II armonica, 85mJ), 20 Hz

Telescopio composito: • Cassegrain F/6.7 da 300 mm (~250 – 10000

m)

• Rifrattivo, lente da 30 mm (~60 – 2000 m)

Configurazione monostatica Lidar (AutoCAD)

CaBLE all’interno del CR-ENEA Trisaia

Elettronica di acquisizione:• Schede analogiche di acquisizione Licel

(risoluzione spaziale 7.5 m e risoluzione temporale di 15 sec), fotomoltiplicatori Hamamatsu

Automazione CaBLE: • Acquisizione automatica con

programmazione misure, gestione allarmi (pioggia e malfunzionamenti) , botola di chiusura integrata.

• Implementato il sistema di allineamento fascio laser

1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI

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SOnic Detection And Ranging (SODAR)

Doppler Sodar monostatico a tre assi:

• Un’ antenna in direzione zenitale

• Due antenne inclinate rispetto allo zenit di 20° in direzione N ed E

• Frequenze acustiche di emissione tra 1.7 e 2.25 KHz

• Risoluzione verticale:

- 7.1 m (segnali), da 40 a 800 m

- 28.4 m (vento), da 40 a 800 m

• Risoluzione temporale:

- 6 sec (segnale verticale)

- Media a 10 min (vento)

Configurazione monostatica SODAR

SODAR all’interno del CR-ENEA Trisaia

1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI

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La segnale ricevuto in funzione della distanza, r , tra bersaglio e ricevitore per una data

lunghezza d’onda è:

Dall’applicazione di una procedura iterativa (Di Sarra et al., 2001), si ricavano:

• Coefficiente di retrodiffusione ed estinzione degli aerosol

• Spessore ottico dello strato di aerosol

• Rapporto di retrodiffusione, Aerosol Backscattering Ratio (ABR), definito da•

conrapporto tra i coefficienti di retrodiffusione.

20 2

( , ) ( ) ( , )2 r

A cP r P O r r T

r

2( , ) [ ( , ) ]S r P r B r

Segnale range corrected

( , ) ( , ) ( , )a mr r r 0( )

rr dr

rT e

Coefficiente di retrodiffusione Trasmissività

dell’atmosfera

( , ) ( , ) ( , )a mr r r

Coefficiente di estinzione

1 a

m

R

a

m

2. TECNICHE: LIDAR

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Il segnale ricevuto dall’antenna verticale del SODAR è proporzionale alle fluttuazioni

della temperatura su piccola scala ( ~ 15 cm ), ovvero alla turbolenza termica:

Dall’analisi Doppler degli echi ricevuti dalle antenne inclinate, dipendenti anche dalla

turbolenza meccanica, si ricavano le componenti della velocità del vento (u, v, w).

22

( , ) ( )2

rR T

scAP r P r er

2( , ) [ ( , )]R RS r P r r

Segnale range corrected

1 23

20

( ) 0.004 TCr kT

2 2/3[ ( ) ( )]TC T r T R r r

Sezione d’urto di diffusione acustica

Parametro di struttura della temperatura

2. TECNICHE: SODAR

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ANALISI PRELIMINARI: al termine di ogni giornata di rilevamento sono stati ricavati e

poi analizzati i profili di segnale aerosolico ed infine ottenute stime di ABR.

Conseguenza di tali stime è stata l’individuazione di 5 periodi caratteristici:

I. PORVERE SAHARIANA (dal 03-05-2010 al 15-05-2010)

II. PIOGGIA E POLVERE (dal 15-05-2010 al 01-06-2010)

III. CIELO SERENO (dal 01-06-2010 al 10-06-2010)

IV. INGENTI POLVERI (dal 10-06-2010 al 20-06-2010)

V. NUVOLE A MEZZOGIORNO (dal 20-06-2010 al 01-07-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR

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PORVERE SAHARIANA (dal 03-05-2010 al 15-05-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR

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PIOGGIA E POLVERE (dal 15-05-2010 al 01-06-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR

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CIELO SERENO (dal 01-06-2010 al 10-06-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR

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INGENTI POLVERI (dal 10-06-2010 al 20-06-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR

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DI TRISAIA

NUVOLE A MEZZOGIORNO (dal 20-06-2010 al 01-07-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR

ANALISI PRELIMINARI: al termine di ogni giornata di rilevamento sono stati acquisiti i

segnali acustici ed infine ottenute stime di segnale verticale (facsimile), vento orizzontale e

vento verticale.

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DI TRISAIA3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: SODAR

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Struttura del ABL

Le componenti principali di tale struttura sono: lo strato superficiale (Surface Layer)

lo strato rimescolato (Mixed Layer)

lo strato residuo (Residual Layer)

lo strato stabile (Stable Layer)

(Stull et al.,1988)

4. STIMA ALTEZZA DELL’ ABL

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DI TRISAIA4. STIMA ALTEZZA DELL’ ABL: METODO WCT

(LIDAR)Metodo della trasformata wavelet da profili LIDAR :

Studi recenti (Cohn and Angevine, 2000; Davis et al., 2000; Brooks, 2003) hanno messo a punto diverse varianti di un metodo di stima che sfrutta la trasformata wavelet del S(r), il cui vantaggio è decomporre il segnale lungo due dimensioni, la scala verticale e la quota: l’uso di questa tecnica comporta il calcolo di una grandezza integrale che rende non necessarie le operazioni di media temporale e spaziale, utilizzate nei metodi derivativi (Pal et al., 2010). La Wavelet Covariance Trasform, WCT, del segnale range corrected S(r) è definita dal prodotto di convoluzione:

con la funzione wavelet di Haar, H, la più semplice delle funzioni madri wavelet; la dilatazione a descrive l’ampiezza della wavelet mentre la b indica a posizione verticale della funzione.

La WCT può essere vista come misura del grado di similitudine tra il segnale S(r) e la funzione H che è in effetti una funzione a gradino: il massimo della WCT corrisponde alla porzione di segnale in cui la decrescita è più forte, tipica del termine di uno strato di aerosol.

1( , ) ( )

t

b

z

f

z

r bW a b S r H dr

a a

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DI TRISAIA4. STIMA ALTEZZA DELL’ ABL: METODO COMPOSITO DI BEYRICH (SODAR)

Metodo dell’eco – ARE (Acoustic Receiver Eco) SODAR

La zona di transizione che separa lo strato rimescolato dallo strato stabile è caratterizzata da fluttuazioni di temperatura relativamente forti che si riflettono nella forma del profilo del parametro di struttura, cui l’eco acquisito dal SODAR è proporzionale. Tra i vari metodi utilizzati e studiati è stato preso in considerazione quello che da più importanza alla forma del segnale ed alle sue variazioni, cioè quello formulato da Beyrich (1997), che è il seguente:

Beyrich (1993) ha messo in relazione, attraverso un modello monodimensionale, le stime fornite dai diversi criteri nel metodo ARE con lo stato di evoluzione del ABL e la forma del segnale range-corrected acquisito, al fine di minimizzare le differenze tra le stime misurate sperimentalmente e quelle uscenti dal modello.

Regime Andamento di S(z) Criterio sul segnale

Stabile Monotono decrescenteQuota del massimo della

curvatura

Stabile Non monotonoQuota del minimo del

gradiente

ConvettivoMassimo secondario in

quota Quota del massimo

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DI TRISAIA4. STIMA ALTEZZA DELL’ ABL: CONFRONTO TRA I DUE STRUMENTI

Dal risultato dei test statistici risulta che nei casi di stabilità atmosferica tra i due strumenti esiste un BIAS strumentale pari a circa 22.5 m

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DI TRISAIA

In relazione ai 5 periodi atmosferici caratteristici individuati a seguito dell’analisi,

è riportato l’ andamento orario dell’altezza dell’ABL di 5 giorni presi all’interno di

suddetti periodi:

5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL

I Periodo

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DI TRISAIA

In relazione ai 5 periodi atmosferici caratteristici individuati a seguito dell’analisi,

è riportato l’ andamento orario dell’altezza dell’ABL di 5 giorni presi all’interno di

suddetti periodi:

5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL

II Periodo

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DI TRISAIA

In relazione ai 5 periodi atmosferici caratteristici individuati a seguito dell’analisi,

è riportato l’ andamento orario dell’altezza dell’ABL di 5 giorni presi all’interno di

suddetti periodi:

5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL

III Periodo

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In relazione ai 5 periodi atmosferici caratteristici individuati a seguito dell’analisi,

è riportato l’ andamento orario dell’altezza dell’ABL di 5 giorni presi all’interno di

suddetti periodi:

5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL

IV Periodo

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In relazione ai 5 periodi atmosferici caratteristici individuati a seguito dell’analisi,

è riportato l’ andamento orario dell’altezza dell’ABL di 5 giorni presi all’interno di

suddetti periodi:

5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL

V Periodo

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Conclusioni

• Grazie alla partecipazione del gruppo G24 di Fisica dell’atmosfera alla campagna di misure di MINNI svoltasi nel CR-ENEA Trisaia è stata messa in luce ulteriormente l’effettiva complementarietà di LIDAR e SODAR nella determinazione dell’altezza dell’ ABL, e la necessità di utilizzo di queste analisi combinate al fine ottenere una migliore stima di tale grandezza.

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GRAZIE PER L’ ATTENZIONE