Στατιστική επεξεργασία μετεωρολογικών δεδομένων για την ανάκτηση παραμέτρων των νεφών με συνέργεια τεχνικών τηλεπισκόπησης lidar και δεδομένων ραδιοβόλισης

Γαβριήλ, Αριάδνη; Gavriil, Ariadni

dc.contributor.author	Γαβριήλ, Αριάδνη	el
dc.contributor.author	Gavriil, Ariadni	en
dc.date.accessioned	2017-05-22T11:50:32Z
dc.date.available	2017-05-22T11:50:32Z
dc.date.issued	2017-05-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44902
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14128
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Νέφη	el
dc.subject	Παράμετροι νεφών	el
dc.subject	Ατμόσφαιρα	el
dc.subject	Μετεωρολογία	el
dc.subject	Τηλεπισκόπηση	el
dc.subject	Ραδιοβόλιση	el
dc.subject	Clouds	en
dc.subject	Cloud formation	en
dc.subject	Meteorology	en
dc.subject	LIDAR	en
dc.subject	Radiosondes	en
dc.subject	Atmosphere	en
dc.title	Στατιστική επεξεργασία μετεωρολογικών δεδομένων για την ανάκτηση παραμέτρων των νεφών με συνέργεια τεχνικών τηλεπισκόπησης lidar και δεδομένων ραδιοβόλισης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Εφαρμοσμένα μαθηματικά	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-02
heal.abstract	Περίληψη Η ατμόσφαιρα είναι το σύνολο αέριων μαζών που περιβάλλει τη Γη και την ακολουθεί στην περιστροφή της. Χωρίζεται σε στρώματα, αυτά της τροπόσφαιρας, στρατόσφαιρας, μεσόσφαιρας και θερμόσφαιρας. Συμπεριφέρεται ως τέλειο αέριο, ισορροπεί υδροστατικά και ενεργειακά με αποτέλεσμα να ισχύουν κάποιες ιδιότητες και συνθήκες ευστάθειας. Τα νέφη αποτελούν μέρος της ατμόσφαιρας και βρίσκονται στην τροπόσφαιρα. Τα είδη τους προκύπτουν ανάλογα με τη μορφή και το ύψος τους. Σχηματίζονται λόγω της συμπύκνωσης των υδρατμών με τέσσερις διαφορετικούς μηχανισμούς. Το ύψος που φτάνουν σχετίζεται άμεσα με τις συνθήκες ευστάθειας της ατμόσφαιρας και την κινητική ενέργεια που έχουν αποκτήσει κατά την κατακόρυφη κίνησή τους στην ατμόσφαιρα. Η παρουσία τους γίνεται αντιληπτή μέσω του σημείου κόρου και με την αύξηση της σχετικής υγρασίας, ενώ δεν σηματοδοτεί πάντα την ύπαρξη βροχής. Εάν περιέχουν αιωρούμενα σωματίδια και ρύπους τότε αλλάζουν οι ιδιότητές τους με αποτέλεσμα την αλλαγή του μεγέθους των υδροσταγονιδίων (περισσότερα σε πλήθος και μικρότερα), την αύξηση του χρόνου ζωής τους και την καθυστέρηση της βροχόπτωσης. Όταν αυτή πραγματοποιηθεί, είναι αυξημένης έντασης κι έχουμε ακραία καιρικά φαινόμενα. Μερικές από τις παραμέτρους που μετρώνται στην ατμόσφαιρα και από τις οποίες προκύπτουν συμπεράσματα είναι: η θερμοκρασία, η πίεση, η υγρασία, η ηλιακή ακτινοβολία, τα αιωρούμενα σωματίδια και οι ρύποι, τα αέρια του θερμοκηπίου και ειδικά το όζον. Οι μετρήσεις γίνονται επίγεια και δορυφορικά. Υπάρχουν αντίστοιχα ειδικά όργανα μέτρησής τους τοποθετημένα σε ειδικούς κλωβούς και σταθμούς σε όλη τη χώρα, προσαρτημένα σε ραδιοβολίδες αλλά και στους μετεωρολογικούς δορυφόρους που περιφέρονται γύρω από τη Γη. Τηλεπισκόπηση σημαίνει «παρατήρηση από μακριά» και η μέθοδος βασίζεται στην καταγραφή των σημάτων της ακτινοβολίας που σκεδάζεται στα μόρια και τα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Μπορεί να είναι είτε παθητική με καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης ηλιακής ακτινοβολίας όπως στους περισσότερους δορυφόρους είτε ενεργητική με εκπομπή ακτινοβολίας και μετά την καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Μία μέθοδος ενεργητικής τηλεπισκόπησης είναι το LIDAR με εκπομπή ακτινοβολίας laser όπως συμβαίνει με το δορυφόρο CALIPSO (σύστημα LIDAR CALIOP), με αεροπλάνα και ελικόπτερα κατάλληλα εξοπλισμένα κ.α Ο δορυφόρος CALIPSO της NASA/CNES, που διαθέτει το σύστημα LIDAR CALIOP, εκτοξεύτηκε τον Απρίλιο του 2006 και από τέλος Ιουνίου 2006 καταγράφει μετρήσεις. Πραγματοποιεί ημερήσιες και νυχτερινές τροχιές και περνάει δύο φορές την ημέρα από την ίδια περίπου περιοχή. Περνά κάθε 16 μέρες πάνω από την Αθήνα στις 00.30 UTC (η δεύτερη τροχιά περνά ανατολικότερα) και παρουσιάζει εικόνες από την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία στα 532 nm και τα 1064 nm, με επιπλέον στοιχεία μεταβλητών, την οπισθοσκέδαση (κάθετη πόλωση) στα 532 nm, το λόγο αποπόλωσης αερολυμάτων, το δείκτη εξασθένισης χρώματος μεταξύ 1064 nm 532 nm, τον τύπο του σωματιδίου στο οποίο έγινε η σκέδαση, την οριζόντια μέση έκταση των σωματιδίων, την ανίχνευση πάγου ή νερού στα νέφη, τον τύπο του αερολύματος και το είδος του νέφους. Όλα τα δεδομένα είναι διαθέσιμα στη σελίδα του CALIPSO. Το Πανεπιστήμιο του Wyoming, Σχολή Μηχανολόγων, Τμήμα Επιστήμης της Ατμόσφαιρας συγκεντρώνει στη σελίδα του δεδομένα ραδιοβόλισης από όλον τον κόσμο. Επισκεπτόμενοι τη σελίδα του συμπληρώνουμε φίλτρα για την περιοχή, τις ημερομηνίες έναρξης και λήξης παρουσίασης των επιθυμητών δεδομένων, την ώρα σε UTC και τον τύπο των αποτελεσμάτων σε μορφή λίστας, skewT plot, δηλαδή ένα γράφημα που δείχνει τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και τη θερμοκρασία κόρου, οι οποίες αν συναντηθούν δηλώνουν την πιθανή παρουσία νέφους, και hodograph, ή οδογράφος καμπύλη που δείχνει την ένταση των ανέμων. Παρέχεται επίσης χάρτης της περιοχής με όλους τους διαθέσιμους σταθμούς. Η παρούσα Διπλωματική Εργασία αποτελεί μία στατιστική επεξεργασία μετεωρολογικών δεδομένων για το σχηματισμό των νεφών πάνω από την Αθήνα για την δεκαετία 7/2006-6/2016. Πρώτο μέλημα είναι να συγκεντρώσουμε δεδομένα από το δορυφόρο CALIPSO της NASA/CNES που έχουν αποκτηθεί με τη βοήθεια του LIDAR CALIOP που διαθέτει και αφορούν το σχηματισμό νεφών πάνω από την Αθήνα τη δεκαετία 7/2006-6/2016. Ακολούθως, πραγματοποιούμε μία στατιστική επεξεργασία αυτών, συνολική, ανά εποχή και ανά μήνα. Κατόπιν για τις ημέρες που ο δορυφόρος εντοπίζει νέφος συγκεντρώνουμε δεδομένα που προέρχονται από ραδιοβολίσεις και διατίθενται στη σελίδα του Πανεπιστημίου του Wyoming, Σχολή Μηχανολόγων, Τμήμα Επιστήμης της Ατμόσφαιρας. Τέλος, ακολουθεί μία σύγκριση ώστε να διαπιστώσουμε αν εντοπίζουν νέφη και οι δύο μέθοδοι. Απαραίτητα εργαλεία είναι το EXCEL για τη δημιουργία πινάκων με συγκεντρωτικά δεδομένα και δεδομένα αποτελεσμάτων και το υπολογιστικό εργαλείο προγραμματισμού MATLAB με το οποίο πραγματοποιείται η στατιστική και η παρουσίαση αποτελεσμάτων, τόσο με τη μορφή υπολογισμένων στατιστικών μεταβλητών σε πίνακες, όσο και τη δημιουργία διαγραμμάτων που παρουσιάζουν τα παραπάνω. Σαν γενική παρατήρηση, διαπιστώνουμε ότι τα περισσότερα νέφη παρουσιάζονται με φθίνουσα σειρά ως ακολούθως: Χειμώνας, Φθινόπωρο, Άνοιξη, Καλοκαίρι. Ομοίως αναφορικά με τους μήνες, έχουμε: Νοέμβριος, Δεκέμβριος, Ιανουάριος, Απρίλιος, Φεβρουάριος, Σεπτέμβριος, Μάρτιος, Οκτώβριος, Μάιος, Ιούνιος, Ιούλιος και Αύγουστος. Σύμφωνα με τα διαγράμματα απόλυτων και σχετικών συχνοτήτων, στην πλειοψηφία τους απεικονίζουν λεπτόκυρτες καμπύλες με δεξιά ασυμμετρία. Σύμφωνα με τα υπολογισμένα στατιστικά μεγέθη, τα δεδομένα παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά και ασυμμετρία ενώ το διάγραμμα αθροιστικών σχετικών συχνοτήτων παρουσιάζει ενδιαφέρον ως προς την κατανομή των υψών και του πάχους. Το ύψος με τη μεγαλύτερη συχνότητα είναι γύρω στα 2 km, η πλειοψηφία των νεφών είναι τύπου cirrus, δηλαδή νέφη που παρουσιάζονται σε μεγαλύτερα ύψη, γεγονός σχετικά αναμενόμενο λόγω των διασπορών, της ασυμμετρίας και της κατανομής που αναφέρθηκε. Ως προς τη φάση πάγου/νερού του νέφους, το Χειμώνα και την Άνοιξη επικρατεί ο πάγος ενώ το Φθινόπωρο και το Καλοκαίρι επικρατεί το νερό. Για τους μήνες βλέπουμε ότι 7/12 επικρατεί ο πάγος και 4/12 το νερό ενώ σε ένα μήνα (Νοέμβριος) έχουν ίδιο ποσοστό. Από τη σύγκριση με τα δεδομένα ραδιοβόλισης έχουμε χρονικά διαθέσιμα για 4.5 έτη. Από αυτά το 75% δείχνει την παρουσία νέφους επομένως συμφωνεί με τα ευρήματα της μεθόδου του LIDAR, το 25% δεν έχει διαθέσιμα δεδομένα από ορισμένο ύψος και πάνω, μιας και στη ραδιοβόλιση μπορεί να σταματήσει η καταγραφή μετρήσεων στα 7-10 km, ενώ στο LIDAR καταγράφονται μετρήσεις ως την τροπόπαυση, περίπου 12 km για τη χώρα μας.	el
heal.abstract	Abstract Atmosphere is a layer of gases which surrounds earth and moves with it in rotation. It consists of four main layers, troposphere, stratosphere, mesosphere and thermosphere. It acts as an ideal gas and satisfies hydrostatic and thermodynamic equilibriums. Thus some equations, properties and conditions of static stability are satisfied. Clouds are part of the atmosphere and are located in troposphere. Cloud types are an outcome of their form and the height that they are made of. Their creation is due to the liquid droplets’ condensation with four different mechanisms. Their final height depends on state stability’s conditions and the kinetic energy that is obtained during the vertical movement in the atmosphere. The existence of a cloud is perceivable via the dew point and relative hydration’s increasing. However, a cloud in the sky doesn’t always mean a rainy day. If clouds contain aerosols and dust, their properties change. As a result, liquid droplets are smaller and in larger number, lifetime increases and precipitation holds on. When it finally rains, precipitation and weather phenomena are extreme. Some interesting atmosphere parameters that are measured are temperature, pressure, hydration, solar radiation, aerosols and greenhouse’s gases as ozone. Measurements take place on the ground (terrestrial) and via satellites. Special instruments are located in proper stations along the country or are hung from a radiosonde and are contained in meteorological satellites that orbit around earth. Remote sensing method is based on recording radiation signals that is scattered on molecules and particles of the atmosphere. In passive remote sensing, backscatter solar radiation is recorded, as done in most of the satellites. In action remote sensing, radiation is emitted and then backscatter radiation is recorded. LIDAR method is an action remote sensing method, which uses laser radiation as happens with satellite CALIPSO (LIDAR system CALIOP), airplanes-helicopters properly equipped and elsewhere. Satellite CALIPSO of NASA/CNES which contains LIDAR system CALIOP, was launched in April 2006 and has been recording measurements since late June 2006. It orbits in daytime and nighttime and passes twice a day above a place. Every 16 days CALIPSO passes above Athens at 00.30 UTC (second orbit passes eastern). Images indicate backscatter radiation in 532nm and 1064nm with parameter information, perpendicular backscatter in 532nm, depolarization ratio, attenuated color ratio 1064/532, vertical feature mask, horizontal averaging, ice/water phase of clouds, aerosol subtypes and cloud subtypes. Data are available on CALIPSO website. University of Wyoming, College of Engineering, Department of Atmospheric Science, gathers data from radiosondes on its website all over the world. When visiting its website, according to the procedure, you have to fill filters about region, dates (from-to), time in UTC and type of plot. It includes list, skew T-plot, plot that indicates temperature and dew point where their meeting means cloud existence and hodograph, plot that indicates winds (direction and strength). Region map with all the available stations are included as well. The present Thesis is a statistical processing of meteorological data about cloud formation above Athens for the decade 7/2006-6/2016. Firstly, we gather data from satellite CALIPSO and its LIDAR CALIOP about cloud formation above Athens for the period of 7/2006-6/2016 and then we process them statistically in total, per season and per month. Secondly, for the cloudy days according to CALIOP, we gather data from radiosondes as they are displayed on the website of the University of Wyoming, College of Engineering, Department of Atmospheric Science and are compared statistically in order to figure whether both methods detect clouds. For this procession, statistics and programming took place, with the usage of the important tools of Microsoft Excel for the tables of collected data and result data and MATLAB for the statistics and results’ presentation, either computing statistic variables or making figures with diagrams. As concerns the seasons, cloud percentage is decreasing as follows: Winter, Fall, Spring and Summer. When it comes to months, cloud percentage is decreasing as detailed below: November, December, January, April, February, September, March, October, May, June, July and August. According to absolute and relative frequency histograms, most of the distribution are leptokurtic with positive skew. Also computing statistic variables show great variance and skewness, while cumulate relative frequency histogram is quite interesting in height and thickness distributions. The most frequent height is about 2 km while the most clouds are cirrus type, a cloud subtype that appears in greater heights. This happens because of the great variance, skewness and the distribution form. About ice/water phase of the cloud, ice predominates in Winter and Spring and water predominates in Fall and Summer. Also ice prevails in 7/12 months and water in 4/12 months while ice and water have the same percentage in November. Radiosondes data are available for about 4.5 years. 75% of them indicate cloud existence as CALIOP as well and 25% of them are not available for some heights and higher, considering that data recording in radiosondes takes place up to 7-10 km while in LIDAR method up to tropopause, about 12 km in Greece.	en
heal.advisorName	Παπαγιάννης, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαγιάννης, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Καραθανάση, Βασιλεία	el
heal.committeeMemberName	Τσακίρη, Μαρία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	183 σ.
heal.fullTextAvailability	true