Remote Sensing of Aerosols : Applications for Air Quality and Climate Studies

Atmospheric aerosol particles affect public health, environment, weather and climate in various ways, and therefore the importance on obtaining information about their spatial and temporal variation is evident. Remote sensing measurements have particular capability to provide broad horizontal and/or vertical view on the ambient aerosol field from local to global scales. They also can provide observations over remote areas where carrying out in situ measurements is not possible. The aim of this Thesis, is to explore both ground-based and spaceborne remote sensing measurement techniques for monitoring aerosol particles, and their applications on air quality as well as climate studies. In the first part of this Thesis the potential of a ground-based ceilometer-type lidar to be used as an aerosol measurement device is investigated. Ceilometers are originally designed for observing cloud heights, and at the time of the study they were not commonly used to monitor aerosols. The results obtained in this study indicate that the absolute accuracy of a ceilometer-type lidar is sufficient for quantitative aerosol measurements in some applications. The first study using an improved version of the AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer) satellite algorithm shows that aerosol optical depth (AOD) can be retrieved with sufficient accuracy over Eastern China, where the aerosol conditions are highly variable and therefore challenging from the satellite remote sensing point of view. In addition, the improved version of the algorithm provides also valuable information about the fine mode particle contribution to the total AOD. The satellite based AOD data is also used to evaluate the performance of a coupled climate-aerosol model. The comparison of ECHAM5-HAM model and satellite-based AOD (from MODerate Imaging Spectroradiometer) showed that, with few exceptions, the model reproduced relatively well the spatiotemporal variation of AOD over India and China. In this Thesis it is also shown that satellite data can be used to derive such climatically relevant quantities that are not directly available in common retrieval products (such as e.g. AOD). By combining coincident observations from two different satellite instruments, an observation-based estimate of the clear-sky shortwave aerosol direct radiative effect ADRE (at the top of the atmosphere) can be established. Results of the case study over Eastern China show that, overall, the satellite-based estimates of ADRE, aerosol-free fluxes, and their spatial variation are in agreement with model-based values.Ilmakehässä olevat aerosolihiukkaset vaikuttavat ihmisten terveyteen, ympäristöön, säähän ja ilmastoon monin eri tavoin. Tästä syystä aerosolihiukkaspitoisuuksien alueellisesta ja ajallisesta vaihtelusta on tärkeä saada monipuolista havaintotietoa. Kaukokartoituksella tarkoitetaan mittausta jossa kohdetta havainnoidaan mittalaitteella välimatkan päästä. Kaukokartoitusmittausten etuna on laaja alueellinen ja/tai pystysuuntainen kattavuus. Kaukokartoitusmittauksia käyttäen voidaan havainnoida myös ilmakehän aerosolihiukkasia ja saada maailmanlaajuisesti tietoa niiden pitoisuuksista sekä pystysuuntaisesta jakaumasta, myös sellaisilta alueilta joissa havaintojen tekeminen paikan päällä olisi mahdotonta. Tämän työn tavoitteena oli tutkia sekä avaruudesta että maanpinnalta tehtäviä aerosolien kaukokartoitusmittauksia sekä niiden soveltamista ilmanlaatu- ja ilmastotutkimuksessa. Työn ensimmäisessä osassa tutkittiin alun perin pilvenkorkeuden mittaamiseen tarkoitetun ceilometrin soveltuvuutta aerosolipitoisuuksien havainnointiin maanpinnalla. Tulokset osoittivat että tietyissä sovelluksissa ceilometristä voidaan saada kvantitatiivista tietoa aerosoleista. Ensimmäinen tutkimus jossa käytettiin parannettua versiota Advanced Along Track Scanning Radiometer-satelliitti-instrumentin aerosoli-algoritmista osoitti että kyseisellä instrumentilla voidaan saada luotettavaa tietoa Kiinan aerosolihiukkasten alueellisesta jakaumasta sekä pitoisuuksien vuodenaikaisvaihtelusta. Satelliittikaukokartoituksen näkökulmasta Aasia on yleisesti haastava tutkimusalue koska siellä sekä aerosolihiukkasten pitoisuudet että niiden koostumus voivat vaihdella alueellisesti paljon. Tässä työssä näytettiin myös että yhdistelemällä samanaikaista tietoa eri satelliitti-instrumenteista voidaan saada havaintoihin perustuvaa tietoa sellaisista ilmastonmuutoksen kannalta tärkeistä parametreista, jotka yleensä perustuvat mallilaskelmiin. Tulokset osoittivat että Kiinassa aerosolihiukkasten suora säteilyvaikutus on keskimäärin ilmastoa viilentävä ja että kaukokartoitushavaintoihin perustuva arvio on yhtenevä ilmastomalleista saatujen tulosten kanssa. Satelliiteista saatavia aerosolihavaintoja voidaan käyttää myös arvioimaan ilmastomallien toimivuutta. Tässä työssä yhdistetyn ilmasto-aerosolimallin (ECHAM5-HAM) antamia tuloksia aerosolin optiselle paksuudelle verrattiin satelliittihavaintoihin Intiassa ja Kiinassa. Tulokset osoittivat että ECHAM5-HAM- malli pystyi tuottamaan verrattaen hyvin satelliitista havaitun aerosolihiukkasten alueellisen vuodenaikaisvaihtelun

Satelliittihavaintojen hyödyntäminen ilmanlaadun seurannassa

Tässä selvityksessä kartoitetaan ensimmäistä kertaa satelliittimittausten hyödyntämistä ilmanlaadun seurannassa Suomessa. Satelliittien ehdottomana vahvuutena on ilmanlaatumuuttujien alueellisen jakauman kuvaaminen sekä ilmansaasteiden kulkeutumisen seuranta, joita tässä työssä on demonstroitu käyttämällä alailmakehän typpidioksidi (NO2}-havaintoja TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) ja Ozone Monitoring Instrument (OMI) satelliitti-instrumenteista. TROPOMI laukaistiin EU:n Copernicus-ohjelman rahoittamassa Sentinel-5P satelliitissa vuonna 2017, ja se on tällä hetkellä paikalliselta erotuskyvyltään tarkin ilmanlaadun kannalta oleellisia kaasuja havainnoiva satelliittimittalaite. Suomalais-hollantilainen OMI-instrumentti NASAn Aura-satelliitissa on puolestaan tuottanut maailmanlaajuisia havaintoja jo lähes 15 vuoden ajan. Tämän työn tulokset näyttävät, että satelliittien avulla voidaan tarkastella typpidioksidin alueellista jakaumaa Suomessa sekä lähialueilla aina kaupunkitasolle asti. Esimerkiksi pääkaupunkiseudun keskimääräisissä pitoisuuksissa voidaan erottaa alueellisia vaihteluita ja nähdä selvä ero viikonpäivien ja viikonloppujen välillä. OMI-instrumentin havainnoista puolestaan nähdään, että alailmakehän NO2-pitoisuudet ovat keskimäärin laskeneet koko maassa vuodesta 2005 vuoteen 2018. Keskeisimpiä kysymyksiä satelliittidatan hyödyntämisessä ilmanlaadun seurannassa on se, kuinka hyvin satelliittihavainnot vastaavat in situ -mittauksista nähtyjä vaihteluita. Vertailu TROPOMI-havaintojen ja pintamittausten välillä näyttää, että vaikka kaupungin sisällä yksittäisten asemien kohdalla yhteensopivuus voi vaihdella asemittain, korrelaatio on hyvä kun vastaavuutta tarkastellaan yhdistämällä kunkin kaupungin keskustan pintahavainnot. Tulos on samansuuntainen sekä Suomessa että myös muualla Euroopassa

Simulation of the radiative effect of haze on the urban hydrological cycle using reanalysis data in Beijing

Although increased aerosol concentration modifies local air temperatures and boundary layer structure in urban areas, little is known about its effects on the urban hydrological cycle. Changes in the hydrological cycle modify surface runoff and flooding. Furthermore, as runoff commonly transports pollutants to soil and water, any changes impact urban soil and aquatic environments. To explore the radiative effect of haze on changes in the urban surface water balance in Beijing, different haze levels are modelled using the Surface Urban Energy and Water Balance Scheme (SUEWS), forced by reanalysis data. The pollution levels are classified using aerosol optical depth observations. The secondary aims are to examine the usability of a global reanalysis dataset in a highly polluted environment and the SUEWS model performance. We show that the reanalysis data do not include the attenuating effect of haze on incoming solar radiation and develop a correction method. Using these corrected data, SUEWS simulates measured eddy covariance heat fluxes well. Both surface runoff and drainage increase with severe haze levels, particularly with low precipitation rates: runoff from 0.06 to 0.18 mm d−1 and drainage from 0.43 to 0.62 mm d−1 during fairly clean to extremely polluted conditions, respectively. Considering all precipitation events, runoff rates are higher during extremely polluted conditions than cleaner conditions, but as the cleanest conditions have high precipitation rates, they induce the largest runoff. Thus, the haze radiative effect is unlikely to modify flash flooding likelihood. However, flushing pollutants from surfaces may increase pollutant loads in urban water bodies.Peer reviewe

Spatial distributions and seasonal cycles of aerosols in India and China seen in global climate-aerosol model

Peer reviewe

Indirect estimation of absorption properties for fine aerosol particles using AATSR observations : a case study of wildfires in Russia in 2010

The Advanced Along-Track Scanning Radiometer (AATSR) on board the ENVISAT satellite is used to study aerosol properties. The retrieval of aerosol properties from satellite data is based on the optimized fit of simulated and measured reflectances at the top of the atmosphere (TOA). The simulations are made using a radiative transfer model with a variety of representative aerosol properties. The retrieval process utilizes a combination of four aerosol components, each of which is defined by their (lognormal) size distribution and a complex refractive index: a weakly and a strongly absorbing fine-mode component, coarse mode sea salt aerosol and coarse mode desert dust aerosol). These components are externally mixed to provide the aerosol model which in turn is used to calculate the aerosol optical depth (AOD). In the AATSR aerosol retrieval algorithm, the mixing of these components is decided by minimizing the error function given by the sum of the differences between measured and calculated path radiances at 3-4 wavelengths, where the path radiances are varied by varying the aerosol component mixing ratios. The continuous variation of the fine-mode components allows for the continuous variation of the fine-mode aerosol absorption. Assuming that the correct aerosol model (i.e. the correct mixing fractions of the four components) is selected during the retrieval process, also other aerosol properties could be computed such as the single scattering albedo (SSA). Implications of this assumption regarding the ratio of the weakly/strongly absorbing fine-mode fraction are investigated in this paper by evaluating the validity of the SSA thus obtained. The SSA is indirectly estimated for aerosol plumes with moderate-to-high AOD resulting from wildfires in Russia in the summer of 2010. Together with the AOD, the SSA provides the aerosol absorbing optical depth (AAOD). The results are compared with AERONET data, i.e. AOD level 2.0 and SSA and AAOD inversion products. The RMSE (root mean square error) is 0.03 for SSA and 0.02 for AAOD lower than 0.05. The SSA is further evaluated by comparison with the SSA retrieved from the Ozone Monitoring Instrument (OMI). The SSA retrieved from both instruments show similar features, with generally lower AATSR-estimated SSA values over areas affected by wildfires.Peer reviewe

The effect of COVID-19 restrictions on atmospheric new particle formation in Beijing

During the COVID-19 lockdown, the dramatic reduction of anthropogenic emissions provided a unique opportunity to investigate the effects of reduced anthropogenic activity and primary emissions on atmospheric chemical processes and the consequent formation of secondary pollutants. Here, we utilize comprehensive observations to examine the response of atmospheric new particle formation (NPF) to the changes in the atmospheric chemical cocktail. We find that the main clustering process was unaffected by the drastically reduced traffic emissions, and the formation rate of 1.5 nm particles remained unaltered. However, particle survival probability was enhanced due to an increased particle growth rate (GR) during the lockdown period, explaining the enhanced NPF activity in earlier studies. For GR at 1.5-3 nm, sulfuric acid (SA) was the main contributor at high temperatures, whilst there were unaccounted contributing vapors at low temperatures. For GR at 3-7 and 7-15 nm, oxygenated organic molecules (OOMs) played a major role. Surprisingly, OOM composition and volatility were insensitive to the large change of atmospheric NOx concentration; instead the associated high particle growth rates and high OOM concentration during the lockdown period were mostly caused by the enhanced atmospheric oxidative capacity. Overall, our findings suggest a limited role of traffic emissions in NPF.Peer reviewe

Analysis of dust aerosols in PMAp Climate Data Record

info:eu-repo/semantics/nonPublishe

Ilmanlaatu Suomessa ilmanlaatumittausten ja satelliittihavaintojen perusteella

Ilmanlaatuselvityksessä on arvioitu Suomen ilmanlaadun nykytilaa ilmanlaadun mittausten sekä satelliitti-havaintojen avulla. Pitoisuuksien arvioinnissa olivat mukana seuraavat ilman epäpuhtaudet: typpidioksidi, typen oksidit, hengitettävät hiukkaset, pienhiukkaset, rikkidioksidi, hiilimonoksidi, otsoni, bentso(a)pyreeni, bentseeni, lyijy, arseeni, kadmium ja nikkeli. Näille ilman epäpuhtauksille on annettu ilmanlaadun arviointi-kynnykset ilmanlaatulainsäädännössä (79/2017, 113/2017). Ilmanlaatua on arvioitu ilmanlaadun seuranta-alueittain. Arvioinnissa käytettiin aineistona Suomen ilmanlaatumittausten pitoisuustuloksia vuosilta 2015–2019. Satelliittihavaintoja hyödynnettiin objektiivisen arvioinnin työkaluna typpidioksidi- ja hiilimonoksidipitoisuuksien alueellista vaihtelun arvioinnissa. Ilmanlaadun mittausten mukaan ilmanlaatu on monin osin parantanut Suomessa. Ilmanlaadun seurantatarve jatkuvin ilmanlaadun mittauksin on vähentynyt erityisesti NO2 ja PM10 osalta. Bentso(a)pyreenin mittauksia tulisi lisätä kaupunkialueilla seurantatarpeen tarkennuttua. Otsonipitoisuuksien alentamispyrkimyksissä tarvitaan kansainvälisen yhteisön toimia. Rikkidioksidin, hiilimonoksidin, bentseenin ja raskasmetallien matalia pitoisuustasoja voidaan monin paikoin teollisuusalueiden ulkopuolella arvioida muilla menetelmillä kuin jatkuvin mittauksin ja jatkuvatoimisia mittauksia onkin jo vähennetty. Satelliittihavaintojen avulla typpidioksidin (NO2) ja hiilimonoksidin (CO) pitoisuuksia ja alueellista jakaumaa on Suomessa analysoitu käyttäen pääasiassa TROPOspheric Monitoring Instrument (TROPOMI) satelliitti-instrumentin havaintoja. Hiilimonoksidin osalta satelliittihavaintoihin pohjautuva analyysi tehtiin ensimmäistä kertaa Suomeen. Tuloksista nähdään, että CO:n pitoisuus on Suomessa vuositasolla yleisesti matala ja alueelliset erot ovat pieniä. Myös typpidioksidipitoisuus on Suomessa yleisesti verrattain matala, mutta alueelliset erot ovat hieman selvemmin nähtävissä. Korkeimmat NO2-arvot havaitaan suurimmissa kaupungeissa. Käyttäen maanpintamittausten ja satelliittihavaintojen välistä riippuvuutta, satelliittihavaintojen koko ilmapilarin pitoisuuksista arvioitiin NO2:n ja CO:n maanpintapitoisuudet seuranta-alueille. Satelliittimittauksista arvioitu NO2:n vuosikeskiarvo pääkaupunkiseudulle on 28 μg/m3 ja muualla pääasiassa 10‒15μg/m3. Vastaavasti, CO:n vuosikeskiarvot Suomessa vaihtelevat pääasiassa välillä 160‒164μg/m3 eli olivat noin 0,16 mg/m3

Two decades of fire activity over the PEEX domain: a look from space, with contribution from models and ground-based measurements

It has been suggested that forest fires will become more frequent/intense with changing climate, which would increase aerosol/gas emissions into the atmosphere. A better understanding of the relations between meteorological conditions, fires, and fire emissions will help estimate the climate response via forest fires. In this study, we use ERA5 meteorological products, including temperature, precipitation, and soil moisture, to explain the frequency of forest fires and the amount of radiant energy released per time unit by burning vegetation (fire radiative power, FRP). We explore the relationships between satellite-retrieved fire products and aerosol properties (aerosol optical depth, AOD), carbon monoxide (CO), formaldehyde (HCHO), and nitrogen dioxide (NO2) concentrations over the PEEX domain, which covers different vegetation zones (e.g. croplands/grasslands, forest, arctic tundra) of Pan-Eurasia and China. We analyse the concentrations of black carbon and absorbing organic carbon using ground-based AErosol RObotic NETwork. The analysis covers the months of May to August from 2002 to 2022. We show positive temperature trends in the Northern zone (>65°N) in June and August (1.56°C and 0.64°C, respectively); all statistically significant trends for precipitation and soil moisture are negative. This can explain increased fire activity in Siberia over the recent years (2019–2022). Over the whole PEEX domain, FC and FRP trends remain insignificant or negative; a decrease in AOD may address those negative trends. We show that intra-summer variations exist for cropland/grassland fires, which occur most often in May and August, while Siberian forest fires occur more often in July and August. We show that CO concentration has been gradually decreasing in the last two decades in May and June. CO trends are negative in May, June, and over summer for all regions, in July in Europe, China, the Southern zone (2 trends are positive in May and negative in June in all zones. We calculated total column enhancement ratios for satellite observations influenced by wildfires. A common feature has been recognized with measurements and ratios utilized in SILAM (System for Integrated Modelling of Atmospheric Composition): AOD(or PM):CO and AOD(or PM):HCHO ratios for grass are clearly lower than for shrubs, opposite for AOD:NO2. We showed that emission ratios are increasing towards South and are 2–3 times higher for high (>0.5) AOD. Using a 21-year satellite record of the AOD and CO, an 18-year record of NO2, and a 16-year record of HCHO, we created background products of those variables over the PEEX domain. In the regions with low anthropogenic activity and conditions where long-range transport is not happening, anomalies in AOD, CO, and HCHO over biomass-burning areas may be assigned directly to the wildfire emissions.</p