Wyklad 14 Kampanie Pomiarowe

1
Wyklad 14Kampanie Pomiarowe

• Krzysztof Markowicz
• kmark_at_igf.fuw.edu.pl

2
Kampanie eksperymenty polowe

• To badania prowadzone w okreslonym rejonie swiata
  najczesciej przez wiele osrodków
  naukowo-badawczych poswiecone konkretnym
  problemom naukowym.
• W ostatnich latach dotycza one czesto problemów
  zwiazanych ze zmianami klimatu.
• Kampanie te nie maja raczej na celu badanie tych
  zmian we wzgledu na ich znacznie krótszy czas
  trwania w stosunku do czasu charakterystycznego
  dla zmian klimatu a jedynie procesów
  fizyczno-klimatycznych.
• Poza glównymi celami badawczym eksperymenty
  polowe spelniaja dodatkowe role. Uzywa sie ich
  np. w celu walidacji danych satelitarnych dzieki
  temu, ze wykonuje sie szeroki zakres pomiarów
  meteorologicznych

3
Pomiary w czasie eksperymentów polowych

• Naziemne pomiary InSitu
• Naziemne pomiary teledetekcyjne
• Pomiary w swobodnej atmosferze (pomiary
  samolotowe, balonowe itd.)
• Pomiary Satelitarne
• oraz inne

4
Logistyka kampanii i koordynacja

• Koordynacja eksperymentem pelni wazna role przed,
  w trakcie jak i po kampanii pomiarowej.
• Staje sie ona szalenie istotna w celu wydawania
  decyzji o pomiarach prowadzonych przez statki
  powietrze (samoloty, balony badawcze, statki
  badawcze)
• W pozostalych przypadkach pomiary prowadzone sa
  przewaznie w sposób ciagly a wiec koordynacja ma
  nieco mniejsze znaczenie.
• Pomiary samolotowe wykonuje sie biorac pod uwage
  miedzy innymi wlasciwe warunki meteorologiczne,
  czas przeloty satelitów polarnych, rejony
  geograficzne.

5

• W centrum koordynacji odbywaja sie odprawy (raz
  lub dwa razy na doby) w czasie których omawia
  sie
• Plan dnia
• Aktualna i prognozowana sytuacje meteorologiczna
  na której poza aktualnymi danym przedstawia sie
  wyniki modelowe.
• Podejmuje sie decyzje dotyczace ewentualnych
  lotów, zakresu badan, rejonu geograficznego, pory
  dnia itd.
• W czasie wieczornych briefingów umawia sie
  równiez najswiezsze wyniki pomiarów i
  interesujace przypadki.

6
INDOEX- Indian Ocean Experiment

• Celem kampanii INDOEX bylo miedzy innymi badanie
  wplywu aerozolu antropogenicznego na zmiany
  klimatyczne i meteorologiczne w jednym z
  najbardziej zanieczyszczonych obszarów swiata
• Ponadto badanie roli tropikalnej strefy
  zbieznosci (ITCZ) w wymianie powietrza pomiedzy
  zanieczyszczona pólkula pólnocna i znaczne
  czystsza pólkula poludniowa.
• Badania przeprowadzono w lutym i marcu 1999 roku
  na obszarze Morza Arabskiego oraz pólnocnej
  czesci Oceanu Indyjskiego.
• Centrum koordynacji znajdowalo sie Mali na
  Malediwach na terenie lotniska cywilnego.

7
(No Transcript)
8
Cyrkulacja powietrza w czasie monsunu letniego
oraz zimowego
9
Poludnikowy transport zanieczyszczen
10

                                                                                 
Figure 19c. Lower Level Aerosol - Chemistry - Radiation Profiling Flights

11
(No Transcript)
12
(No Transcript)
13

• W czasie INDOEX-u prowadzono badania przy uzyciu
• Satelitów METEOSAT-5, INSAT, NOAA 14,15
  wyposazonych miedzy innymi w przyrzady AVHRR,
  TRMM, CERES
• Dwóch statków badawczych Ronald H. Brown oraz
  Sagar Kanya
• Samolotów C-130, Falcon, Citation, oraz
  Geophysica
• Balonów, dropsond
• Badania naziemnie prowadzono w obserwatorium
  klimatycznym Kaashidhoo na Malidivach.

14
Pomiary na statku badawczym R.H. Brown

• Pomiary wlasnosci optycznych aerozoli lidar,
  fotometry sloneczne
• Pomiary chemiczne aerozoli
• Pomiary koloru oceanu oraz biologii morza
  (koncentracja chlorofilu, sondy STD- salinity,
  temperartue, density.)
• Sztandarowe pomiary meteorologiczne oraz
  radiosondy.
• Odbieranie i analiza zdjec satelitarnych.

15
Pomiary na statku R.H. Brown
16
Zestaw pomiarowy STD do sondowania wody morskiej
i pobierania jej próbek. Sonda wpuszczona byla do
wody raz dziennie w czasie gdy statek zatrzymywal
sie. Urzadzenie opuszczano do glebokosci 300
metrów
17
Atmospheric Chemical Measurements

• Mass size distributions of nss sulfate, MSA,
  ammonium, and other major ions with a seven stage
  multi-jet cascade impactor at 55 RH. Sampling
  time periods will range from 12 to 24 hours. Mass
  size distributions of metals by trace metal TXRF
  with a seven stage multi-jet cascade impactor at
  55 RH. Sampling time periods will range from 12
  to 24 hours.
• Sub- and super-micron nss sulfate, MSA, ammonium,
  and other major ions with a two stage multi-jet
  cascade impactor. Upper size cuts will be 1.0 and
  10.0 m m diameter at 55 RH. Sampling time
  periods will be 4 to 6 hours.
• Sub- and super-micron nss sulfate, MSA, ammonium,
  and other major ions with a two stage filter pack
  mounted outside at ambient RH. Sampling time
  periods will be approximately 24 hours.
• Sub- and super-micron elemental and organic
  carbon by combustion and Raman spectroscopy.
  Upper size cuts will be 1.0 and 10.0 m m diameter
  at 55 RH. Sampling time periods will be 12 to 24
  hours.
• Sub- and super-micron mineral dust using XRF and
  SEM/XRF.
• Gas phase measurements of SO2 and NH3, DMS, O3
  (surface and vertical profiles with MicroTops and
  ozonesondes), PAN and nitrogen oxides, 222Rn,
  CO2, CO, SO2, jNO2, H2CO, H2O2, NO2, and CO.

18
Aerosol Physical and Optical Measurements

• Gravimetric analysis of mass as a function of
  size with a seven stage multi-jet cascade
  impactor at 55 RH. Total number concentration of
  CN with Dpgt15 nm and CN with Dpgt5 nm using TSI
  3010 and 3025 particle counters, respectively.
• Particle number size distribution from 5 to 5000
  nm diameter using an UDMPS, DMPS, and TSI 3300
  APS. (2 systems, dry and 55 RH)
• Particle number size distribution from 200 to
  20000 nm using a CSASP-200 PMS probe
• Hygroscopic growth of aerosol particles with
  TDMA.
• Total aerosol light scattering and the
  backscattered fraction at wavelengths of 450,
  550, and 700 nm.
• Total aerosol light absorption at 500 nm using a
  PSAP.
• Aerosol optical depth with hand-held
  sunphotometers.
• AVHRR and SeaWiFS satellite observations of
  aerosol optical depth, aerosol number/size.
• Aerosol backscatter using Micro-Pulse LIDAR

19

• Radiation Measurements
• Waterleaving radiance using a SIMBAD system
• Solar irradiance and diffuse sky radiance spectra
  at several wavelengths using a PREDE system
• Solar irradiance and diffuse sky radiance spectra
  at several wavelengths using a sky rads system
  and the aureole system
• Up and downwelling radiance and PAR in the upper
  water column
• Shortwave global irradiance in six 10 nm bands,
  one broadband, and from an Eppley PSP using a
  Portable Radiation Package (PRP) with a Fast
  Rotating Shadowband Radiometer (FRSR)

20

• Seawater Measurements
• DMS, Ammonia
• pCO2, chlorophyll, oxygen
• Fluoresence, transmisivity, chlorophyll, HPLC
  pigments, total absorption of suspended matter in
  the upper water column
• Nitrogen isotopic composition of DON and nitrate
• Meteorology
• Surface air temperature, dew point, wind speed,
  wind direction, precipitation amount and
  frequency, solar insolation.
• Vertical profiles of atmospheric temperature, dew
  point and winds
• Surface seawater temperature, salinity,
  chlorophyll a, and nitrate

21
Pomiary samolotowe

• Pomiary samolotowe sa jedne z najtrudniejszych
  jakie prowadzi sie w czasie kampanii pomiarowych.
• Wynika to z faktu, iz typowa predkosc przelotu
  wynosi okolo 100 m/s. Przy tych predkosciach
  pojawia sie wiele niepozadanych efektów. Zaliczyc
  do nich mozna grzanie dynamiczne, odplyw
  aerodynamiczny samolotu zmieniajacy trajektorie
  kropel chmurowych, aerozoli.
• Z punktu widzenia pomiarów promieniowania
  predkosc lotu nie ma wiekszego znaczenia jednak
  pojawiaja sie inne problemy. Glównym z nich jest
  ustawienie horyzontalne przyrzadów. Montowanie
  radiometrów do skrzydel czy kadluba sprawia iz
  podczas lotu bardzo trudno zachowac ich wlasciwe
  horyzontalne ustawienie.
• Pewnym rozwiazaniem sa platformy bezwladnosciowe
  jednak sa one jednak bardzo drogie.

22

• Duza zaleta pomiarów samolotowych jest mozliwosc
  wykonywania profili pionowych
• Ponadto ze wzgledu na duzy zasieg, prowadzenie
  pomiarów gradientowych np. pomiar zmian wlasnosci
  fizycznych chmur aerozoli na przestrzeni setek
  czy tysiecy kilometrów.

23
Strategie pomiarów samolotowych

• Pomiary Lagrangowskie nie jest mozliwe doslowne
  poruszanie sie samolotu wraz dryfem mas powietrza
  jednak czesto samolot wykonuje okregi
  przemieszczajace sie wraz z srednim przeplywem.
  Umozliwia to badanie zmian w masie powietrza tj.
  cykl domowy, modyfikacja masy oceanicznej przy
  naplywanie na kontynent i inne.
• Najczesciej jednak wykonywane sa pomiary przy
  braku synchronizacji predkosci mas powietrza i
  samolotu.
• Trajektorie lotów na potrzeby pomiarów
  radiacyjnych czesto maja ksztalt okregów lub
  kwadratów. Wykonuje sie je po to aby w
  pózniejszej analizie skorygowac wyniki na
  niehoryzontalne ustawienie radiometrów

24
Przyrzady na samolocie C-130
Pomiary meteorologiczne Pomiary meteorologiczne
Total air temperature Platinum resistance - Rosemount 102AL
Total air temperature (de-iced) Platinum resistance - Rosemount 102BL
Radiometric air temperature 4.3 micrometer CO2 absorption thermometer -UK Met. office developed
Pitot-static pressure Variable capacitance - Rosemount 1221F
Static pressure Variable capacitance - Rosemount 1201F
Dew point temperature Thermoelectric hygrometer - EGG 137-C3
Absolute humidity Lyman-alpha absorption and fluorescence hygrometer - UK met. office developed
25
Mikrofizyka chmur Mikrofizyka chmur
Total water content Evaporator/Lyman-alpha absorption hygrometer - UK met. office developed
Liquid water content Hot wire - Johnson-Williams LWH
Condensation nuclei Saturation gradient chamber - UK Met. office developed
Aerosol concentration (0.1-3.0um) Laser spectrometer, PCASP
Cloud droplet spectrum (1-45 um) Laser spectrometer, FSSP - Particle Measuring System Inc.
Cloud and precipitation particle spectrum (25-800 um) Laser spectrometer (2D-C) - Particle Measuring System Inc.
Cloud and precipitation spectrum (gt200 um) Laser spectrometer - HVPS SPEC Inc.
26
Promieniowanie
Radiometric surface temperature Balometric radiometer 8 to 14 micrometers - Barnes PRT 4 (modified by MRF)
Infrared radiation (upper and lower) Pyrgeometers 4 to 50 micrometers (silicon dome) - UK Met. office developed
Visible Radiation (upper and lower) Pyranometer .3 to 3 micrometers (WG7 dome) - Eppley PSP
Visible Radiation (upper and lower) Pyranometer .7 to 3 micrometers (WG715 dome) - Eppley PSP
Visible and infrared radiation Multi-channel radiometer .5 to 14 micrometers (16 channels) - UK Met. office developed
Microwave radiation MARSS (89 and 157 GHz) and Deimos (23.8 50.1 Ghz microwave radiometers - UK Met Office developed.
Interferometry ARIES (Airborne Research Interferometer Evaluation System) scanning infrared (600-2940 cm-1) interferometer.
Aerosol light scattering Nephelometer - Meteorology Research Inc. 1550B
27

Aircraft vertical velocity, ground speed component, true heading, pitch and roll INU - Honeywell H-423
Aircraft Position Omega Navigation System-Litton LTN-211 GPS - Navstar XR5M6
Angle of attack and sideslip Potentiometric wind vane - Penny Giles EZ3001
Geometric altitude (0-1500 m) Radar altitude - Honeywell YG9000D1
Nawigacja
28
(No Transcript)
29
Forward Scattering Spectrometer Probe FSSP

• FSSP sluzy do pomiary rozkladu wielkosci kropel
  chmurowych
• Uklad optyczny przyrzadu sklada sie z lasera oraz
  detektora mierzacego promieniowanie rozproszone.
• Na podstawie rejestrowanego promieniowania
  wyznacza sie liczbe kropel oraz ich rozmiar w
  objetosci powietrza.

30
Pomiar rozkladu wielkosci
31
FSSP jest instrumentem który pozwala rejestrowac
przelot pojedynczych kropel chmurowych. Natezenie
swiatla rozproszonego na kropli pozwala oszacowac
jej rozmiar. Zródlem swiatla jest laser He-Ne
którego wiazka ma srednice zaledwie 0.2
mm. Swiatlo rozproszone w kacie 4-12o jest
rejestrowane przez detektor Zakres srednic
kropli 2.0 ?m - 47.0 ?m Dokladnosc 20
(srednica) 16 (Koncentracja)
32
Termometr typu ROSEMOUNT

• Czujnikiem termometru jest drut platynowy.
• Wykalibrowany mierzy tak zwana temperature
  calkowita.
• Musi zawierac korekcje na tzw. grzanie
  dynamiczne wywolanie oplywem powietrza.
• Czujnik moze by podgrzewany

33
Particle Cavity Aerosol Spectrometer Probe PCASP

• Wykorzystywany jest do pomiaru rozkladu wielkosci
  aerozoli
• Rozmiar czastek wyznaczany jest na podstawie
  teorii MIE poprzez pomiar promieniowania
  rozproszonego.
• Przyrzad posiada 15 kanalów i mierzy czastki w
  zakresie srednic od 0.1 do 3.0 mikrometrów

34
(No Transcript)
35
Nevzorov Liquid Water and Total Condensate Probe

• Pomiar zawartosci wody (wodnosc) lub lodu w
  chmurach (Liquid and ice water content)
• Glównym elementem przyrzady jest grzany drut,
  którego rezystancja zmienia sie w czasie
  parowania lub sublimacji lodu.
• Przyrzad posiada dwa czujniki jeden do pomiaru
  wody chmurowej oraz drugi do pomiaru wszystkich
  produktów kondensacji.
• Umieszczony jest na specjalnej choragiewce
  ustawiajacej sie pod wiatr.

36
Obserwatorium KCO na Malediwach
37
Wyniki

• W czasie pomiarów zaobserwowano silne
  zanieczyszczenia na obszarze pólnocnej czesci
  Oceanu Indyjskiego, które znaczaco wplywaja na
  budzet promieniowania slonecznego na powierzchni
  ziemi, w atmosferze oraz na górnej granicy
  atmosfery.
• Ponadto zmierzono duzy gradient w koncentracji
  aerozoli pomiedzy pólkula pólnocna oraz
  poludniowa który jest wynikiem cyrkulacji
  monsunowej.
• Sklad chemiczny obserwowanych zanieczyszczen to
  14 (masowo) czastek sadzy, 32 zwiazków siarki,
  26 czastek organicznych, 5 pylów oraz 10
  aerozolu pochodzenia pustynnego.
• Wysoka zawartosc sadzy sprawila iz obserwowane
  wartosci albeda pojedynczego rozpraszania byly
  bardzo niskie i zmienialy sie w przedziale od
  0.85 do 0.9.

38

• Jednym z najwazniejszych rezultatów INDOEXu bylo
  odkrycie, iz aerozole w tym rejonie znaczaco
  redukuja promieniowanie sloneczne dochodzace do
  powierzchni ziemi oraz, ze zwiekszaja o 50
  ogrzewanie radiacyjne dolnej atmosfery.
• Redukcja promieniowanie slonecznego na
  powierzchni ziemi wynosila srednio 23 Wm-2 zas
  wzrost promieniowania odbijanego przez atmosfere
  na górnej granicy atmosfery wyniósl 7 Wm-2.
• Wartosci te wielokrotnie przekraczaja srednie
  wartosci dla calego globu opublikowane w raporcie
  IPCC.
• Pomiary pokazaly, ze strefa zbieznosci pasatowej
  ITCZ pelni istotna role w konwergencji
  zanieczyszczen oraz wynoszeniu ich do górnych
  granic troposfery gdzie nastepnie transportowane
  sa na duze odleglosci modyfikuja wlasnosci
  optyczne chmur konwekcyjnych.

39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
44
(No Transcript)
45
(No Transcript)
46
Eksperyment ACE-ASIA (Asian Pacific Regional
Aerosol Characterization Experiment)

• Badania
• Wplywu aerozolu troposferycznego na bilans
  promieniowanie slonecznego (efekt bezposredni).
• Wplywu aerozolu na mikrofizyke chmur (efekt
  posredni) w szczególnosci na wlasciwosci
  radiacyjne oraz czas zycia chmur.
• Wplywu aerozolu antropogenicznego na zmiany
  klimatu

47
(No Transcript)
48
Grubosc optyczna aerozolu
49
Glówne kierunki badan

• Wplywu aerozolu troposferycznego na bilans
  promieniowanie slonecznego poprzez rozpraszanie i
  absorpcje swiatla (efekt bezposredni).
• Wplywu aerozolu na mikrofizyke chmur (efekt
  posredni) w szczególnosci na wlasciwosci
  radiacyjne oraz czas zycia chmur.
• Wplywu aerozolu antropogenicznego na zmiany
  klimatu (aerosol forcing).
• Prowadzone badania
• Pomiary Is-situ w naziemnej sieci pomiarowej w
  zakresie chemicznych, fizycznych i radiacyjnych
  wlasciwosci aerozolu 2000-2004.
• Intensywne badania (marzec-kwiecien 2001) w
  zakresie przestrzennego rozkladu wlasciwosci
  aerozolu, jego formowania sie, ewolucji i
  depozycji.
• Wplyw aerozolu na wlasciwosci fizyczne chmur
  bedzie badany jesienia 2001 oraz 2002 i 2003.
• Poprawianie chemicznego modelu zanieczyszczen
  sprzezonego z modelem radiacyjnym w celu
  obliczania wymuszania radiacyjnego aerozolu przy
  róznych sytuacjach meteorologicznych.

50
Platformy badawcze

• Samoloty C-130, CIRPAS Twin Otter
• Statek R.H. Brown
• Satelity SeaWIFS, NOAA, Terra
• W badaniach uczestniczylo wiele naziemnych
  stacji badawczych. W tym azjatycka siec stacji
  lidarowych.

51
(No Transcript)
52
Trasa statku badawczego Ronald H. Brown
53
Badania prowadzone na statku R.H. Brown

• pomiary skladu chemiczne aerozolu
• rozklad masowy siarczanów, amonu oraz innych
  waznych jonów (spektrometr masowy),
• elementarny i organiczny wegiel, radon, pyly
  mineralne i piasek
• wlasciwosci fizyczne i optyczne aerozolu
• wspólczynnik absorpcji aerozolu (PSAP)
• Wspólczynnik rozpraszania wstecznego (lidar
  aerozolowy)
• satelitarne pomiary grubosci optycznej i rozkladu
  wielkosci aerozolu (SeaWIFS, AVHRR, Tera)
• efekt higroskopowy (DMA-differential mobility
  analyzer, TDMA- tandem differential mobility
  analyzer)
• rozklad wielkosci czastek 20-10000nm (DMPA-
  differential mobility particle sizer) dla
  wilgotnosci powietrza 10, 30 55 75, 90
• wspólczynnik rozpraszania i rozpraszania
  wstecznego dla 3 dlugosci fali i wilgotnosci 55
  (Nephelometer)
• grawimetryczne pomiary masy jako funkcji rozmiaru
  czastek

54

• promieniowanie sloneczne
• gazy sladowe (DMS, O3 SO2)
• pomiary oceaniczne
• DMS, SST, zasolenie, koncentracja chlorofilu
• RRS, Ed , Eu spektralny wspólczynnik absorpcji,
  wspólczynnik rozpraszania do tylu, rozklad
  wielkosci czastek
• pomiary meteorologiczne
• standartowe pomiary powierzchniowe i
  radio-sondazowe

55
Podsumowanie

• zmierzono bardzo wysokie wartosci grubosci
  optycznej przekraczajace 1 dla 500 nm
• Zmierzono duzy gradient w koncentracji aerozoli
  pomiedzy wschodnimi wybrzezami Azji a srodkowym
  Pacyfikiem.
• obserwowano w wyzszych warstwach troposfery (do
  8km) trans-pacyficzny transport aerozolu
  pochodzenia pustynnego
• Powiazane to bylo z duza aktywnosc burz
  piaskowych zwiazanych z aktywnymi frontami
  chlodnymi we wschodniej Azji
• Badania chemiczne pokazaly iz czastki pochodzenia
  pustynnego sa modyfikowane nad silnie
  zanieczyszczonym obszarami SE Azji. Tworza sie
  zlozone struktury zawierajace czastki w srodku
  czastke mineralna zas na zewnatrz male czastki
  sadzy.
• Wymuszanie radiacyjne jest porównywalne do
  zmierzonego w czasie INDOEX-u

56
(No Transcript)