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

Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia Contenuti Descrizione degli apparati strumentali: LIDAR e SODAR Tecniche: stime di parametri Osservazioni sperimentali sull’intera campagna Stima altezza dell’ Atmospheric Boundary Layer (ABL): Metodi utilizzati Confronto tra le stime ricavate dai due strumenti Esempi di evoluzione oraria dell’ ABL

Camper Born LIDAR Experiment (CaBLE) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI Camper Born LIDAR Experiment (CaBLE)

Camper Born Lidar Experiment (CaBLE) Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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: Cassegrain F/6.7 da 300 mm (~250 – 10000 m) Rifrattivo, lente da 30 mm (~60 – 2000 m) 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 Configurazione monostatica Lidar (AutoCAD)

SOnic Detection And Ranging (SODAR) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 1. DESCRIZIONE DEGLI APPARATI STRUMENTALI 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) SODAR all’interno del CR-ENEA Trisaia Configurazione monostatica SODAR

Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 2. TECNICHE: LIDAR 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 con rapporto tra i coefficienti di retrodiffusione. Segnale range corrected Coefficiente di retrodiffusione Trasmissività dell’atmosfera Coefficiente di estinzione

Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 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: 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). Segnale range corrected Sezione d’urto di diffusione acustica Parametro di struttura della temperatura

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 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: PORVERE SAHARIANA (dal 03-05-2010 al 15-05-2010) PIOGGIA E POLVERE (dal 15-05-2010 al 01-06-2010) CIELO SERENO (dal 01-06-2010 al 10-06-2010) INGENTI POLVERI (dal 10-06-2010 al 20-06-2010) NUVOLE A MEZZOGIORNO (dal 20-06-2010 al 01-07-2010)

PORVERE SAHARIANA (dal 03-05-2010 al 15-05-2010) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR PORVERE SAHARIANA (dal 03-05-2010 al 15-05-2010)

PIOGGIA E POLVERE (dal 15-05-2010 al 01-06-2010) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR PIOGGIA E POLVERE (dal 15-05-2010 al 01-06-2010)

CIELO SERENO (dal 01-06-2010 al 10-06-2010) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR CIELO SERENO (dal 01-06-2010 al 10-06-2010)

INGENTI POLVERI (dal 10-06-2010 al 20-06-2010) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR INGENTI POLVERI (dal 10-06-2010 al 20-06-2010)

NUVOLE A MEZZOGIORNO (dal 20-06-2010 al 01-07-2010) Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: LIDAR NUVOLE A MEZZOGIORNO (dal 20-06-2010 al 01-07-2010)

3. OSSERVAZIONI SPERIMENTALI: SODAR Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 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.

4. STIMA ALTEZZA DELL’ ABL Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 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)

Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 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: 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.

Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia 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: 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 decrescente Quota del massimo della curvatura Non monotono Quota del minimo del gradiente Convettivo Massimo secondario in quota Quota del massimo

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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: I Periodo

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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: II Periodo

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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: III Periodo

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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: IV Periodo

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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

Misure di telerilevamento dell’atmosfera 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.

GRAZIE PER L’ ATTENZIONE Misure di telerilevamento dell’atmosfera durante la campagna di Trisaia GRAZIE PER L’ ATTENZIONE