MISURE DI TELERILEVAMENTO
DELL’ATMOSFERA DURANTE LA CAMPAGNA
DI TRISAIA
Marco Cacciani , Vincenzo Tramontana, Giampietro Casasanta
Lab. di Remote Sensing dell’atmosfera, Dip.to Fisica
Università La Sapienza di Roma
WORKSHOP MINNI
Roma, 17-18 aprile 2013
MISURE DI TELERILEVAMENTO DELL’ATMOSFERA
DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
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
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DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI
Camper Born LIDAR Experiment (CaBLE)
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DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI
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:
CaBLE all’interno del CR-ENEA Trisaia
•
Cassegrain F/6.7 da 300 mm (~250 – 10000 m)
•
Rifrattivo, lente da 30 mm (~60 – 2000 m)
Elettronica di acquisizione:
•
Schede analogiche di acquisizione Licel (risoluzione
spaziale 7.5 m e risoluzione temporale di 15 sec),
fotomoltiplicatori Hamamatsu
Automazione CaBLE:
Configurazione monostatica Lidar (AutoCAD)
•
Acquisizione automatica con programmazione
misure,
gestione
allarmi
(pioggia
e
malfunzionamenti) , botola di chiusura integrata.
•
Implementato il sistema di allineamento fascio laser
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1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI
SOnic Detection And Ranging (SODAR)
Doppler Sodar monostatico a tre assi:
SODAR all’interno del CR-ENEA Trisaia
•
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:
•
Configurazione monostatica SODAR
-
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)
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2. TECNICHE: LIDAR
La segnale ricevuto in funzione della distanza, r , tra bersaglio e ricevitore per una data
lunghezza d’onda è:
P(r ,  )  P0
A c
O(r )  (r ,  )Tr2
2
r 2
Segnale range corrected
   ( r  ) dr  

0
 Tr  e



  (r ,  )   a (r ,  )   m ( r ,  ) 
Coefficiente di retrodiffusione
S (r ,  )  [ P(r ,  )  B]r 2
r
Trasmissività dell’atmosfera
 (r,  )  a (r,  )  m (r,  ) 
Coefficiente di estinzione
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
•
R  1
a
m
con
 a 


 m 
rapporto tra i coefficienti di retrodiffusione.
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2. TECNICHE: SODAR
Il segnale ricevuto dall’antenna verticale del SODAR è proporzionale alle fluttuazioni
della temperatura su piccola scala ( ~ 15 cm ), ovvero alla turbolenza termica:
A c
PR (r ,  )  PT  2 s  (r )e 2 r
r 2
1
3
CT2
 (r )  0.004k 2
T0
Sezione d’urto di diffusione acustica
S R (r ,  )  [ PR (r ,  )]r 2
Segnale range corrected
CT2  [T (r )  T ( R  r )] r 2/3
Parametro di struttura della temperatura
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).
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR
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)
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR
PORVERE SAHARIANA (dal 03-05-2010 al 15-05-2010)
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR
PIOGGIA E POLVERE (dal 15-05-2010 al 01-06-2010)
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR
CIELO SERENO (dal 01-06-2010 al 10-06-2010)
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR
INGENTI POLVERI (dal 10-06-2010 al 20-06-2010)
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR
NUVOLE A MEZZOGIORNO (dal 20-06-2010 al 01-07-2010)
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3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: SODAR
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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4. STIMA ALTEZZA DELL’ ABL
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)
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4. 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:
1 t
 r b 
W f ( a, b)   S ( r ) H 
 dr
a zb
 a 
z
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.
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4. 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:
Regime
Andamento di S(z)
Criterio sul segnale
Stabile
Monotono decrescente
Stabile
Non monotono
Quota del massimo della
curvatura
Quota del minimo del
gradiente
Convettivo
Massimo secondario in quota
Quota del massimo
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.
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DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
4. 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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5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL
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:
I Periodo
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5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL
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:
II Periodo
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5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL
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:
III Periodo
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5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL
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:
IV Periodo
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DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
5. ESEMPI DI EVOLUZIONE ORARIA DELL’ ABL
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:
V Periodo
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DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
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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DURANTE LA CAMPAGNA DI TRISAIA
GRAZIE PER L’ ATTENZIONE