1

Ångströmi koefitsiendid Tõraveres 2002–2004, mõõtmised ja mudelid

H. Ohvril 1, H. Teral 1,

E. Jakobson 1, M. Uustare 1,M. Kannel 1,

V. Russak 2, A. Kallis 2,3 , O. Okulov 2,3

1 Tartu Ülikooli keskkonnafüüsika instituut

2 Tartu Observatoorium

3 Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituut

2

Eesmärgid

Kasutades Tõraveres töötava NASA AERONET fotomeetri andmeid aastatest 2002-2004, uurida:

• Ångströmi valemi kehtivust

• Ångströmi koefitsientide muutlikkust

• sesoonne muutlikkus• seosed Tõraveresse saabuva õhu päritoluga

• Spektraalse AOT (Aerosol Optical Thickness) avaldamist aktinomeetria ja meteoroloogia suuruste kaudu (atmosfääri integraalne läbipaistvuskoefitsient, õhusamba veeaurusisaldus)

3

Atmosfäärisambas sisalduvate aerosooliosakeste optiliste omaduste modelleerimiseks jagatakse atmosfäär mõtteliselt kolmeks kihiks:

• ideaaalne ehk puhas ja kuiv atmosfäär CDA - Clean and Dry Atmosphere

• veeaur (sadestatav veeaur, precipitable water, W, W1 )

• aerosooliosakesed - aerosol

Selgitused (1)

1) kiht CDA - hajutab (-4 ) ja neelab (O3, NO2 , jne)

2) kiht precipitable water, W - neelab

3) kiht aerosol particles - hajutab ja neelab

4

AERONET = AErosol RObotic NETwork http://aeronet.gsfc.nasa.gov/

NASA Goddard Space Flight Center

Cimel CE 318-1 sunphotometer ( 350 round the world)

340, 380, 440, 500, 670 (675), 870, 1020 nm

Tõravere (5815, 2627, 70 ASL)

Level 1.0 – unscreened data

Level 1.5 – automatically screened

Level 2.0 – quality assured (postinstallation field calibration, manual inspection)

Operates at Tõravere, Estonia, from June 6, 2002.

Selgitused (2)

5

Anders Ångström (1888–1981), 1929, 1930

koefitsiendid ja

kirjeldavad AOT - Aerosol Optical Thickness

ehk AOD - Aerosol Optical Depth

spektraalset muutumist:

AOT()= ()–

NB! Selles valemis mõõtühik m

füüsikaliselt korrektsem on normaliseerida lainepikkust

lainepikkusega 0 ; Ångström’i järgi 0 = 1 m = 1000 nm

(Shifrin, 1995):

0

)(AOT

Ångströmi valem

6

Koefitsient on atmosfäärisamba aerosooliosakeste optiline paksus lainepikkusel 0 :

)AOT( 0

– Ångströmi sumedustegur ( turbidity coefficient)

– Ångströmi lainepikkuse astendaja (wavelength exponent)

Seotud osakeste suurusjaotusega

sfääriliste osakeste ja Junge suurusjaotuse korral Ångströmi

valemi saab teoreetiliselt [Junge, 1955; Ångström, 1964]

7

max  = 4, molekulaarne ehk Rayleigh hajumine aerosooliosakesed puuduvad

 = 1.0–1.5, Ångström ise järeldas (1929)

 = 0.5–0.7, Ångströmi näide 1912. a. suve kohta

vulkaan Mt Katmai

 = 1.3 ± 0.2, “under average conditions, at a rather variety of stations” [Ångström, 1961]

8

AOT as a function of wavelength, Tõravere, summer 2002

y = 0.018x-1.407

R2 = 0.924

y = 0.075x-1.661

R2 = 0.997

y = 0.430x-1.195

R2 = 0.974

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Wavelength, m

AO

T

Very clearNormal

Turbid24-Aug-2002

08-Jul-2002

18-Jun-2002

joon

Milliseid punkte arvestada alfa arvutamisel???

9

ln AOT as a function of ln

y = -1.41x - 4.00

R2 = 0.92

y = -1.661x - 2.586

R2 = 0.997

y = -1.19x - 0.84

R2 = 0.97

-4.5

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

-1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2

ln

ln A

OT

biomass burning and urban aerosols

väga selge õhk, fooniaeros.-osakesed, lainetav käik

= 1.66

= 1.19

= 1.41

Milliseid punkte arvestada alfa arvutamisel???

10

340, 380, 440, 500, 675, 870, 1020 nm.

Selle ettekande jaoks kasutasime arvutamiseks kõiki 7 täpset lainepikkust vahemikust 340-1020 nm:

AERONET valib 3-4 lainepikkust lühematest lainepikkuse vahemikest: 1) 340, 380, 440,

2) 380, 440, 500,3) 440, 500, 675, 870,4) 500, 675, 870.

Lainepikkust 1020 nm AERONET ei kasuta.

Arvutatud on aastad 2002, 2003, 2004.

11

Ångström beta (340-1020 nm), 03-Jun-2002 – 12-Okt-2004, Tõravere, Estonia

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

121 182 243 304 365 426 487 548 609 670 731 792 853 914 975 1036

Julian days from 01- Jan - 2002

be

ta (

34

0-1

02

0)

20022002 20042003 20032003 2003 2004 2004 2004

Jun

Aug

Jul

SeptMar

Apr

Mar

Apr

Jan

Feb

May

Jun

May

Jun

Jul

Aug

Jul

Aug

Sept

Oct

Sept

Oct

2004

12

Ångström beta, summer 2002, Toravere, Estonia

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

151 182 213 244Julian day

be

ta

June July August

13

Ångström alpha (340-1020 nm), 03-Jun-2002 -- 12-Okt-2004, Tõravere, Estonia

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

121 182 243 304 365 426 487 548 609 670 731 792 853 914 975 1036

Julian days from 01- Jan - 2002

alp

ha

(3

40

-10

20

)

Jul

Jun Aug

2002 2003 20042002 20032002 20032003

2004

Sept Mar

Apr

May

Jun

Aug

Sept

Oct

Jan

Feb

Mar

Apr

2004

May

Jun

2004

Sept

Oct

Jul

Aug

Jul

14

Ångström alpha, 340-1020 nm, summer 2002, Toravere, Estonia

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

151 182 213 244

Julian day in 2002

alp

ha

June July August

15

Correlation Coefficients for the Ångström Formula 3-Jun-2002 – 12-Oct-2004, Toravere340–1020 nm

-1.00

-0.95

-0.90

-0.85

-0.80

-0.75

-0.70

121 182 243 304 365 426 487 548 609 670 731 792 853 914 975 1036

Julian days from 01- Jan - 2002

R (

340-

1020

)

Mar

Apr

2003 2003 20032003200220022002

Sept

Aug

JulJun Jan

Feb

Mar

Apr

May

Jun

Jul

Aug

Sept

Oct

2004 2004 2004 2004 2004

May

Jun

Jul

Aug

Sept

Oct

16

Correlation coefficients for the Ångström formula, 340-1020 nm, summer 2002, Toravere, Estonia

-1.00

-0.99

-0.98

-0.97

-0.96

-0.95

-0.94

-0.93

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

AOT500

R(3

40-1

020)

17

Correlation coefficients for the Ångström formula, 340-1020 nm, all seasons, 2002-2004, Toravere, Estonia

-1.00

-0.95

-0.90

-0.85

-0.80

-0.75

0 0.5 1 1.5 2 2.5AOT500

R(3

40

-10

20

)

18

Ångström beta, Tõravere, Estonia, 2002–2004

0.00

0.05

0.10

0.15

beta

beta, 2002

beta, 2003

beta, 2004

Average

2003

2002

2004

Average

May Jun Jul AugJan Feb Mar Apr Sep Oct Nov

A single day

A single day

2004

2003

Average

2004

2004

19

Ångström alpha, Tõravere, Estonia, 2002–2004

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

alpha

alpha, 2002

alpha, 2003

alpha, 2004

Average

2003

20022004

Average

May Jun Jul AugJan Feb Mar Apr Sep Oct Nov

2004

2004

2003

2004

A single day

A single day

20

Retrotrajectories, 500 m: 8 very clear and 8 turbid days in 2002 at Tõravere.

21NB!

22

Retrotrajectories 1.0–15 km, 120 h, 13-Aug-2002, very turbid, = 0.21–0.60; max = 0.60 (GMT06:50).

23

Retrotrajectories 1.0–15 km, 120 h, 18-Jun-2002, very clear, = 0.016–0.024; min = 0.016 (GMT07:45).

24

AEROSOOLI SPEKTRAALNE OPTILINEPAKSUS PÄIKESE INTEGRAALSEST

OTSEKIIRGUSEST

Aluseks on võetud Moskva Ülikoolis loodud mudel (13 valemit) (Tarassova & Jarho, 1991)

, Sm , h, W AOT (550) AOT (

On koostatud üks valem (Martin Kannel, 2005)

, p2 , W AOT (500) AOT ( ekaudu

25

AOD(, 500, predicted) versus AOD(500, AERONET), J JA 2002-2004,201 + 70 + 151 = 422 joint observations on 72 days

y = 1.0136x

R2 = 0.9368

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

AOD(500, AERONET)

AO

D(

, 5

00

, p

red

icte

d)

alpha = AERONET single values

W (cm) = 0.148 e o + 0.04

p 2 - as measured

2002. a. mõõtmised

26

AOD(, 500, predicted) versus AOD(500, AERONET), J JA 2002-2004, 201 + 70 + 151 = 422 joint observations on 72 days

y = 1.1108x

R2 = 0.9789

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

AOD(500, AERONET)

AO

D(

, 5

00

, p

red

icte

d)

alpha = 1.566

W (cm) = 0.148 e o + 0.04

p 2 - as measured

2002. a. mõõtmised

27

AOD(, 500, predicted) versus AOD(500, AERONET), J JA 2002-2004, 201 + 70 + 151 = 422 joint observations on 72 days

y = 0.9997x

R2 = 0.9789

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

AOD(500, AERONET)

AO

D(

, 5

00

, p

red

icte

d)

alpha = 1.566

W (cm) = 0.148 e o + 0.04

p 2 - as measured

corrected, k = 0.9

2002. a. mõõtmised

28

PROBLEEMID:

• arvutamine, milliste lainepikkuste järgi?

• AOD modelleerimine ja sobivus teiste aastaaegadega ja teiste aastatega?

Tänud:

AERONET, EMHI, O’Kärner, M. Sulev

+ seminari korraldajaid