Ένα ντετερμινιστικό φασματικό μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του ισοζυγίου ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα της Γης, με βάση δορυφορικά δεδομένα αιωρούμενων σωματιδίων και ατμοσφαιρικών παραμέτρων, σε υψηλή χωρική ανάλυση και συχνότητα ανάκτησης, από τον αισθητήρα MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer).
Η μελέτη εστιάστηκε στην εκτίμηση της άμεσης επίδρασης (DRE) των αιωρούμενων σωματιδίων στις συνιστώσες του ισοζυγίου ακτινοβολίας. Λόγω της υψηλής χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας των αιωρούμενων σωματιδίων, η DRE, η οποία αποτελεί κρίσιμη συνιστώσα της συνολικής επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα, χαρακτηρίζεται επίσης από μεγάλη μεταβλητότητα.
Εξετάστηκε επίσης η άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο ρυθμό φωτοδιάσπασης του τροποσφαιρικού όζοντος, J(O1D), ο οποίος αποτελεί βασικό μηχανισμό μείωσής του. Σημειώνεται ότι το τροποσφαιρικό όζον συνεισφέρει στο παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου. ΄Ετσι, ο J(O1D) είναι μία σημαντική κλιματική παράμετρος, που πρέπει να μελετηθεί μέσω μοντελοποίησης, λόγω της απουσίας σταθμών μετρήσεων, και της πραγματοποίησής του σε μήκη κύματος μικρότερα από 330 nm, όπου η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων είναι σημαντική.
Αξιολογήθηκε επίσης η άμεση επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στη δυνητική εξάτμιση, η οποία ισούται με την πραγματική εξάτμιση σε ρηχές λίμνες, και αποτελεί καθοριστική παράμετρο του υδρολογικού κύκλου. Η DRE μειώνει τη δυνητική εξάτμιση μέσω της μείωσης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης.
Οι προσομοιώσεις του μοντέλου πραγματοποιήθηκαν για την περίοδο 2000–2010, σε διάφορες περιοχές της Ελλάδας, που χαρακτηρίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις αιωρούμενων σωματιδίων, με μοναδικά χαρακτηριστικά εποχικής διακύμανσης και προέλευσης. Δύο ερευνητικοί σταθμοί στην Κρήτη (ΕΛΚΕΘΕ/AERONET και Φινοκαλιά) επιλέχθηκαν λόγω της καταλληλότητας του νησιού για τη μελέτη των επεισοδίων σκόνης από τη Σαχάρα, τα οποία είναι συχνά στην ευρύτερη Ανατολική Μεσόγειο, και της διαθεσιμότητας επίγειων μετρήσεων, που χρησιμοποιήθηκαν ως συμπληρωματικά δεδομένα εισόδου στο μοντέλο και για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν και πάνω από τέσσερεις λίμνες στην Κεντρική Ελλάδα, που αποτελούν τους κύριους ταμιευτήρες παροχής νερού στην Αθήνα, για την αξιολόγηση της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στη δυνητική εξάτμιση.
Πραγματοποιήθηκε ανάλυση και επεξεργασία δεδομένων αιωρούμενων σωματιδίων, νεφών και ατμοσφαιρικών παραμέτρων από το MODIS, τα οποία είναι διαθέσιμα από το 2000, σε ανάλυση 10 km×10 km και 5 km×5 km, και χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη όλες τις φυσικές παραμέτρους και διαδικασίες που επηρεάζουν σημαντικά τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η DRE υπολογίζεται στην επιφάνεια της Γης, στο εσωτερικό της ατμόσφαιρας και στην κορυφή της.
Η κατερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία που υπολογίστηκε από το μοντέλο, συγκρίθηκε επιτυχώς με επίγεια δεδομένα από τους σταθμούς ΕΛΚΕΘΕ και Φινοκαλιάς, όπως και ο J(O1D) με βάση αντίστοιχα δεδομένα από τη Φινοκαλιά. Η ανάλυση της επίδρασης των αιωρούμενων σωματιδίων στο ισοζύγιο ακτινοβολίας, στο J(O1D) και στη δυνητική εξάτμιση πραγματοποιήθηκε σε στιγμιαία/ μέση ημερήσια, εποχική και ετήσια βάση. Ποσοτικοποιήθηκε επίσης η επίδραση των επεισοδίων σκόνης, ενώ εκτιμήθηκαν και αξιολογήθηκαν οι τάσεις μεταβολής κατά την εξεταζόμενη περίοδο, με βάση αντίστοιχες τάσεις και επιδράσεις παραγόντων, που περιλαμβάνουν τα αιωρούμενα σωματίδια, τα νέφη και το ολικό όζον.
Τα αποτελέσματα δείχνουν τάσεις μείωσης στα αιωρούμενα σωματίδια και στην επίδρασή τους, σε όλες τις περιοχές που εξετάστηκαν. Ωστόσο, οι αλλαγές στο ισοζύγιο ακτινοβολίας καθορίζονται και από άλλους παράγοντες: η αύξηση της νεφοκάλυψης στο σταθμό του ΕΛΚΕΘΕ αντιστάθμισε τα αποτελέσματα της μείωσης της DRE. Παρόμοια, αν και η DRE στο J(O1D) μειώθηκε, ο J(O1D) δεν αυξήθηκε όπως αναμενόταν, λόγω αύξησης του ολικού όζοντος στην ατμόσφαιρα. Η παρουσία των αιωρούμενων σωματιδίων μειώνει τη δυνητική εξάτμιση κατά περίπου 0.5 mm σε μέση ημερήσια βάση, φτάνοντας τα 2 mm το καλοκαίρι. Ωστόσο, μία τάση μείωσης των αιωρούμενων σωματιδίων βρέθηκε σε όλες τις λίμνες που εξετάστηκαν, κατά την περίοδο 2001–2010.
Ανάλογα ε τη διαθεσιμότητα των δεδομένων εισόδου του μοντέλου, η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε περιοχή ειδικού ενδιαφέροντος στον πλανήτη.
(EL)
A deterministic spectral shortwave radiative transfer model was used for
the computation of the Earth's atmospheric radiation budget, based on high
temporal and spatial resolution satellite data of aerosols and atmospheric climatic
parameters from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
(MODIS) sensor.
The study focused on the evaluation of the aerosol direct radiative effect
(DRE) on the radiation budget components. Due to the high spatial
and temporal variability of aerosols, the DRE, which constitutes a crucial
component of the overall effect of aerosols on climate, is thus also highly
variable.
The aerosol direct effect on the tropospheric ozone photolysis rate, J(O1D),
was also examined, being a dominant sink of tropospheric ozone. We note
that tropospheric ozone contributes to the global greenhouse effect. Thus,
J(O1D) is an important climatic parameter, which needs to be studied using
modelling approaches, due to the scarcity of measuring stations, and
because it takes place primarily below 330 nm, a spectral region where the
aerosol effect is a key operating factor.
The aerosol direct effect on potential evaporation was also assessed. Potential
evaporation equals actual evaporation in shallow lakes, and constitutes
a crucial parameter of the hydrological cycle. The aerosol DRE decreases
potential evaporation by decreasing the solar radiation reaching the Earth's
surface.
The model runs were performed for the period 2000-2010 over several
sites in Greece, which are characterised by high aerosol loads, with unique
characteristics in terms of seasonal variation and origin. Two research stations
in Crete (HCMR/AERONET and Finokalia), were selected due to the
appropriateness of the island for studying Saharan dust episodes, which are
frequent in the wider Eastern Mediterranean, and the availability of ground-based data for both model supplementary input and validation. The model
was also run over four lakes in Central Greece, which constitute the main
water supply reservoirs of the city of Athens, for the evaluation of the aerosol
effect on potential evaporation.
MODIS Level 2 data of aerosols, clouds and atmospheric parameters were
analyzed and processed, and used as input to the model. These data are
available since 2000, on a daily basis and at 10kmx10km and 5kmx5km
spatial resolution. The model takes into account all physical parameters and
processes that affect significantly the solar radiation transfer. The aerosol
DRE is determined at the Earth's surface, within the atmosphere and at the
top of the atmosphere.
The model output downwelling shortwave radiation was successfully validated
against ground{based measurements at the HCMR and Finokalia stations
and at the four lakes in Central Greece. The model output J(O1D) was
successfully validated against Finokalia station measurements. The analysis
of the aerosol DRE on the model radiation budget, J(O1D) and potential
evaporation was performed on an instantaneous/daily mean, seasonal and
inter{annual basis. Dust event effects were also quantified, and trends during
the period examined were assessed and evaluated in terms of corresponding
trends and effects of operating factors, including aerosols, clouds and total ozone.
Results show a decreasing trend in aerosols and the corresponding DRE
over all sites examined. Changes in the radiation budget components, however,
are also controlled by other factors; an increase in cloud fraction over
HCMR station counterbalanced the effect that the DRE reduction would
have caused. Similarly, although the DRE on J(O1D) has decreased, J(O1D)
has not increased as was expected, due to an increase in total atmospheric
ozone. The presence of aerosols reduces potential evaporation by about 0.5
mm on a mean daily basis, reaching up to 2 mm in summer. However, a
decreasing trend in the aerosol load and DRE was found over all lakes during
the period 2001-2010.
Depending on the availability of model input data, the methodology developed
in this study is applicable to any region of specific interest over the globe.
(EN)
