Desarrollo y evaluación de técnicas radiométricas de observación de aerosoles y vapor de agua en la atmósfera desde plataformas terrestres
- Autores: Antonio Fernando Almansa Rodríguez
- Directores de la Tesis: Ángel Máximo de Frutos Baraja (dir. tes.), Benjamín Torres (codir. tes.), Emilio Cuevas Agulló (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Valladolid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Número de páginas: 263
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Luisa Cancillo Fernández (presid.), David Mateos Villan (secret.), Jose Pablo Ortiz de Galisteo Marin (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad de Valladolid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: UVADOC
- Resumen
- español
La presente tesis doctoral pretende introducir herramientas que permitan aumentar la capacidad observacional de los aerosoles y el vapor de agua en la atmósfera con el fin de contribuir a la mejora de la representación espacio-temporal de estos componentes atmosféricos a nivel global/regional y la estimación de sus tendencias. Esta labor será desarrollada haciendo uso de observaciones multi-plataforma capaces de incrementar la cobertura y la disponibilidad de información relevante de los aerosoles atmosféricos y vapor de agua desde el punto de vista científico. En este trabajo se analiza, en primer lugar, la intercomparabilidad y consistencia de las dos principales redes de observación de los aerosoles atmosféricos establecidas a nivel global, GAW-PFR (Global Atmosphere Watch - Precision Filter Radiometer) y NASA-AERONET (National Aeronautics and Space Administration - AErosol RObotic NETwork). Estas dos redes se han implementado con el fin de obtener la distribución espacio-temporal del espesor óptico de los aerosoles (AOD de las siglas en inglés de "Aerosol Optical Depth") y una estimación de su tamaño mediante el Exponente de Ångström (AE). La consistencia e intercomparabilidad de las dos redes se llevó a cabo en el Observatorio Atmosférico de Izaña, que es un centro de calibración absoluta de ambas redes y banco de pruebas de la Comisión de Instrumentos y Métodos de Observación (CIMO) de la Organización Meteorológica Mundial (WMO de las siglas en inglés de "World Meteorological Organization") para instrumentos de teledetección de aerosoles y vapor de agua. En dicho análisis se pudo comprobar que, a pesar de las marcadas diferencias técnicas entre ambas redes, el AOD obtenido en las bandas espectrales de 440, 500 y 870 nm por medio del fotómetro Cimel CE318, utilizado como referencia en la red AERONET, cumplía con los requerimientos de trazabilidad establecidos por la WMO, que toma como referencia la red GAW-PFR. A continuación, y como una segunda parte de la presente tesis doctoral, se desarrollaron dos dispositivos instrumentales: los radiómetros ZEN-R que miden la radiancia de cielo en dirección cenital (ZSR), y que están caracterizados por su simplicidad y robustez al carecer de partes móviles.
El primero de estos desarrollos, el ZEN-R41, fue el primer prototipo destinado sólo a la medida de aerosoles en la columna atmosférica, mientras que el segundo desarrollo, el ZEN-R52, es una versión mejorada que permite además obtener el vapor de agua precipitable (PWV, de las siglas en inglés de "Precipitable Water Vapour") gracias a la inclusión de un canal óptico adicional en la banda espectral centrada en 940 nm. Para hacer posible este sistema de observación relativamente simple, hubo que desarrollar la metodología necesaria para la obtención del AOD (ZEN-AOD-LUT) y del PWV (ZEN-PWV-LUT), a partir de las medidas de ZSR.
Este procedimiento está basado en tablas de consultas (LUT, de las siglas en inglés de "Look-up-table") y fue evaluado a priori a partir de medidas de ZSR del fotómetro Cimel CE318 en tres estaciones caracterizadas por la presencia de polvo mineral pero de características atmosféricas muy diferentes (Izaña, Tamanrasset y Santa Cruz de Tenerife), obteniéndose resultados muy satisfactorios. En un segundo paso, el sistema ZEN, compuesto por el radiómetro ZEN-R y la mencionada metodología LUT asociada, se evaluó en el Observatorio Atmosférico de Izaña, demostrando la viabilidad del mismo como herramienta de teledetección de aerosoles y vapor de agua suficientemente precisa para ser utilizado en redes desplegadas en zonas remotas y escasamente cubiertas por las actuales redes de teledetección terrestres.
Esta última aplicación puede proporcionar información complementaria clave para entender los procesos de emisión de polvo desértico y para mejorar las redes actuales de alerta temprana, entre las que se encuentra el sistema de aviso y evaluación de tormentas de arena y polvo de la WMO (SDS-WAS, en sus siglas en inglés de "Sand and Dust Warning Advisory and Assessment System").
- English
The present doctoral thesis aims to introduce tools that allow us to increase the observational capacity of aerosols and water vapour in the atmosphere, in order to contribute to the improvement of the spatio-temporal representation of these atmospheric components at a global/regional level and the estimation of its tendencies. This work will be developed by making use of multi-platform observations capable of increasing the coverage and availability of relevant information on atmospheric aerosols and water vapour from a scientific point of view. This work analyzes, firstly, the intercomparison and consistency of the two main groundbased networks of observation of atmospheric aerosols established at a global level, GAW-PFR (Global Atmosphere Watch - Precision Filter Radiometer) and NASAAERONET (National Aeronautics and Space Administration - AErosol RObotic NETwork). These two networks have been implemented in order to obtain the spatio-temporal distribution of the aerosol optical depth (AOD) and an estimate of its size using the ˚Angstr¨om Exponent (AE). The intercomparison and consistency was carried out at the Iza˜na Atmospheric Observatory, which is an absolute calibration centre for both networks and a test bed for the Commission for Instruments and Methods of Observation (CIMO) of the World Meteorological Organization (WMO) for aerosol and water vapour remote sensing instruments. In this analysis it was possible to verify that, despite the marked technical differences between both networks, the AOD, in the spectral bands of 440, 500 and 870 nm, retrieved with the Cimel CE318 photometer used by AERONET, met the traceability requirements with the GAW-PFR reference established by the WMO. Next, and as a second part of this doctoral thesis, two instrumental devices were developed:
the ZEN-R radiometers that measure the zenith sky radiance (ZSR), which are characterized by their simplicity and robustness as they lack mobile parts. The first of these developments, the ZEN-R41, was the first prototype intended only for the measurement of atmospheric aerosols in the atmospheric column, while the second development, the ZEN-R52, is an improved version that also allows remote sensing of precipitable water vapour (PWV) thanks to the inclusion of an additional optical channel in the spectral band centred at 940 nm. In order to make this relatively simple observation system possible, the necessary methodology had to be developed to obtain the AOD (ZEN-AOD-LUT) and the PWV (ZEN-PWV-LUT), from the ZSR measurements. This procedure based on look-up-table (LUT) was pre-evaluated from ZSR measurements of the Cimel CE318 photometer at three stations characterized by the presence of atmospheric dust, but with very different atmospheric characteristics (Iza˜na, Tamanrasset and Santa Cruz de Tenerife), obtaining very satisfactory results. In a second step, the ZEN system, made up of the ZEN-R radiometer and the aforementioned associated LUT methodology, was evaluated at the Iza˜na Atmospheric Observatory, showing its viability as a sufficiently precise aerosol and water vapour remote sensing tool to be used in networks deployed in remote areas and sparsely covered by current ground-based remote sensing networks. The latter application can provide key complementary information to understand desert dust emission processes, and to improve current early warning networks, in which we can find the SDS-WAS (Sand and Dust Warning Advisory and Assessment System) of the WMO.
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