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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.85.2018.tde-15052018-122950
Documento
Autor
Nome completo
Gregori de Arruda Moreira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Landulfo, Eduardo (Presidente)
Arboledas, Lucas Alados
Lyamani, Hassan
Oliveira, Amauri Pereira de
Rascado, Juan Luís Guerrero
Título em inglês
Analyses of planetary boundary layer from remote sensing systems
Palavras-chave em inglês
lidar
planetary boundary layer
remote sensing
turbulence
Resumo em inglês
The Planetary Boundary Layer (PBL) is a relevant part of the atmosphere with a variable extension that clearly plays an important role in fields like air quality or weather forecasting. Passive and active remote sensing systems have been widely applied to analyze PBL characteristics. The combination of different remote sensing techniques allows obtaining a complete picture on the PBL dynamic. In this study, we analyze the PBL behavior using four types of remote sensing systems: Microwave Radiometer (MWR), Elastic Lidar (EL), Doppler Lidar (DL) and Ceilometer data. The measurements were performed in two cities Granada (Spain) and São Paulo (Brazil). Firstly, at Granada, the PBL height (PBLH) obtained from MWR data is validated against PBLH provided by analyzing co-located radiosondes, showing a good agreement. In a second stage, active remote sensing systems were used for deriving the PBLH. Thus, Extended Kalman filter is applied to EL data while the vertical wind speed variance method was applied to the DL. The derived PBLH's by these approaches are compared to PBLH retrieved by the MWR. The results show a good agreement among the retrievals based on active remote sensing in most of the cases, although some discrepancies appear in instances of intense PBL changes (either growth and/or decrease). Then it is performed the analysis of four and five-year dataset of measurements gathered with a ceilometer and a microwave radiometer, respectively, at Granada. The methodologies applied for the PBLH detection (gradient method for ceilometer and the combination of parcel method and temperature gradient method for microwave radiometer) provided a satisfactory description of the PBL structure in simple cases. In addition, the PBL behavior is characterized by a statistical study of the convective and stable PBLH obtained from microwave radiometer measurements. The analysis of the PBLH statistical study shows some coincidence with other PBLH studies such as daily pattern, and year cycles but also some differences caused by distinct latitudes, topography and climate were found. It was performed as well a combined long-term analysis of Ceilometer retrieved Residual Layer and the Stable and Convective Layer heights determined by microwave radiometer, thus offering a complete picture of the PBL evolution by synergetic combination of remote sensing techniques. This is the reason why systems with high temporal and spatial resolution, like lidars, have been increasingly applied in studies about this atmospheric region. In this work, also was performed, at São Paulo, an analysis on lidar backscattered signal at three wavelengths (355, 532 and 1064 nm) retrieving the turbulence by the analyses of the high-order moments (variance, skewness and kurtosis) in the backscattered signal. The wavelength of 355 nm has low applicability in the proposed methodology, due to its low intensity (due to predominance of molecular backscattering) and large presence of noise, while the 532 nm wavelength showed results similar to those provided by the wavelength of 1064 nm, which was used as reference. Then, it was analyzed two case studies using the wavelengths of 532 and 1064 nm (in separately). This approach provided information about PBL height, (derived by the variance method (Menut et al., 1999), displacement of aerosol layers (skewness) and level of mixing at several heights (kurtosis). These results show the viability of the proposed methodology when the wavelengths of 532 and 1064 nm are used for the PBL description by high-order moments of the backscattered distribution. Furthermore, it is demonstrated how some variables (air temperature, aerosol concentration, vertical wind, relative humidity and net radiation) can influence the PBL dynamic with data from DL, EL and MWR at Granada. The high-order moments of the vertical velocity high frequency distributions derived from DL, and EL range corrected signal, were corrected by two methodologies (first lag and -2/3 correction). The corrected profiles present small differences when compare against the uncorrected profiles, showing low influence of noise and the viability of the proposed methodology. A detailed 2-case studies analysis was carried on, the first case corresponding to a well-defined PBL while the second one corresponds to a situation with presence of an aloft Saharan dust layer and clouds. In both cases the results provided by the different instruments ended up complementing one another, so that the synergistic use of the different systems allowed us a detailed monitoring of the PBL.
Título em português
Análises da camada limite planetária a partir de sistemas de sensoriamento remoto
Palavras-chave em português
camada limite planetária
lidar
sensoriamento remoto
turbulência
Resumo em português
A Camada Limite Planetária (PBL - Planetary Boundary Layer) é uma parte relevante da atmosfera com uma extensão variável e que claramente desempenha um papel importante em áreas de estudo, como: a qualidade do ar ou a previsão do tempo. Sistemas de sensoriamento remoto passivo e ativo têm sido amplamente utilizado para analisar as características da PBL. A combinação de diferentes técnicas de sensoriamento remoto permite obter uma imagem completa da dinâmica desta camada. Neste estudo, analisamos o comportamento da PBL utilizando quatro tipos de sistemas de sensoriamento remoto: Radiômetro de Micro-ondas (MWR), Lidar Elástico (EL), Lidar Doppler (DL) e Ceilômetro. As medições foram realizadas em duas cidades, Granada (Espanha) e São Paulo (Brasil). Primeiramente, em Granada, a altura da PBL (PBLH) obtida a partir dos dados do MWR foi validada pela PBLH gerada pela análise dos dados de radiossondas, mostrando uma boa concordância. Em um segundo estágio, sistemas ativos de sensoriamento remoto foram usados para a obtenção da PBLH. Assim, o método do filtro de Kalman foi aplicado aos dados do EL enquanto o método da variância da velocidade vertical do vento foi aplicado aos dados do DL. As PBLH derivadas dessas abordagens foram comparadas com o PBLH fornecida pelo MWR, sendo que os resultados mostram uma boa concordância na maioria dos casos, embora algumas discrepâncias apareçam nas situações de mudanças intensas da PBL (crescimento e/ou diminuição). Em seguida, é realizada a análise dos dados das medidas coletadas com um ceilômetro e um radiômetro de micro-ondas durante quatro e cinco anos, respectivamente, em Granada. As metodologias aplicadas para a detecção da PBLH (método de gradiente para o ceilômetro e a combinação do método de parcela e do método de gradiente de temperatura para o radiômetro de micro-ondas) forneceram uma descrição satisfatória da estrutura da PBL em casos simples. Além disso, o comportamento da PBL foi caracterizado por um estudo estatístico das PBLH convectiva e estável, as quais foram obtidas a partir das medidas do radiômetro de micro-ondas. A análise do estudo estatístico realizado para a PBLH mostra algumas coincidências com outros estudos já realizados para a mesma variável, como o padrão diário e os ciclos anuais. Mas também há algumas diferenças, as quais são causadas por latitudes, topografia e clima distintos. Foi realizada também uma análise combinada de longo prazo da Camada Residual (gerada pelos dados do Ceilômetro) e da Camada Estável e Convectiva (obtida pelos dados do radiômetro de micro-ondas), oferecendo assim um quadro completo da evolução da PBL por combinação sinérgica de técnicas de sensoriamento remoto. Essa é a razão pela qual sistemas com alta resolução temporal e espacial, como os lidars, têm sido cada vez mais aplicados em estudos sobre essa região atmosférica. Neste trabalho, também foi realizada, em São Paulo, uma análise do sinal retroespalhado em três comprimentos de onda (355, 532 e 1064 nm), o qual provê informações da turbulência através da análise dos momentos de alta ordem (variância, assimetria e curtose). O comprimento de onda de 355 nm apresenta pouca aplicabilidade na metodologia proposta, devido à sua baixa intensidade (por conta da predominância do retroespalhamento molecular) e grande presença de ruído, enquanto o comprimento de onda de 532 nm apresentou resultados semelhantes aos fornecidos pelo comprimento de onda de 1064 nm, o qual foi usado como referência. Em seguida, foram analisados dois estudos de caso utilizando os comprimentos de onda de 532 e 1064 nm (em separado). Essa abordagem forneceu informações sobre a altura da PBL (derivada pelo método de variância (Menut et al., 1999), deslocamento de camadas de aerossol (assimetria) e nível de mistura em várias alturas (curtose), mostrando a viabilidade da metodologia proposta, quando os comprimentos de onda de 532 e 1064 nm são usados para a descrição da PBL a partir dos momentos de alta ordem. Além disso, demonstrou-se, com dados de DL, EL e MWR obtidos em Granada, como algumas variáveis (temperatura do ar, concentração de aerossóis, vento vertical, umidade relativa e radiação líquida) podem influenciar a dinâmica da PBL. Os momentos de alta ordem das distribuições de velocidade vertical derivadas dos dados do DL e o sinal retroespalhado obtido a partir do EL foram corrigidos por duas metodologias (first lag e correção de -2/3). Os perfis corrigidos apresentam pequenas diferenças quando comparados com os perfis não corrigidos, mostrando baixa influência do ruído e a viabilidade da metodologia proposta. Foi realizada uma análise detalhada de dois estudos de casos, o primeiro correspondendo a uma PBL bem definida, enquanto o segundo corresponde a uma situação com a presença de uma camada de nuvens e poeira saariana. Em ambos os casos, os resultados fornecidos pelos diferentes instrumentos acabaram se complementando, de modo que o uso sinérgico dos diferentes sistemas nos permitiu um monitoramento detalhado da PBL.
 
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Data de Publicação
2018-07-12
 
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