Published March 14, 2013 | Version v1
Publication Open

Depolarization ratio of polar stratospheric clouds in coastal Antarctica: comparison analysis between ground-based Micro Pulse Lidar and space-borne CALIOP observations

  • 1. Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial
  • 2. Universidad de Granada
  • 3. Junta de Andalucía
  • 4. Argentine Antarctic Institute

Description

Abstract. Polar stratospheric clouds (PSCs) play an important role in polar ozone depletion, since they are involved in diverse ozone destruction processes (chlorine activation, denitrification). The degree of that ozone reduction is depending on the type of PSCs, and hence on their occurrence. Therefore PSC characterization, mainly focused on PSC-type discrimination, is widely demanded. The backscattering (R) and volume linear depolarization (δV) ratios are the parameters usually used in lidar measurements for PSC detection and identification. In this work, an improved version of the standard NASA/Micro Pulse Lidar (MPL-4), which includes a built-in depolarization detection module, has been used for PSC observations above the coastal Antarctic Belgrano II station (Argentina, 77.9° S 34.6° W, 256 m a.s.l.) since 2009. Examination of the MPL-4 δV feature as a suitable index for PSC-type discrimination is based on the analysis of the two-channel data, i.e., the parallel (p-) and perpendicular (s-) polarized MPL signals. This study focuses on the comparison of coincident δV-profiles as obtained from ground-based MPL-4 measurements during three Antarctic winters with those reported from the space-borne lidar CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) aboard the CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) satellite in the same period (83 simultaneous cases are analysed for 2009–2011 austral winter times). Three different approaches are considered for the comparison analysis between both lidar profile data sets in order to test the degree of agreement: the correlation coefficient (CC), as a measure of the relationship between both PSC vertical structures; the mean differences together with their root mean square (RMS) values found between data sets; and the percentage differences (BIAS), parameter also used in profiling comparisons between CALIOP and other ground-based lidar systems. All of them are examined as a function of the CALIPSO ground-track distance from the Belgrano II station. Results represent a relatively good agreement between both ground-based MPL-4 and space-borne CALIOP profiles of the volume linear depolarization ratio δV for PSC events, once the MPL-4 depolarization calibration parameters are applied. Discrepancies between CALIOP and MPL-4 profiles in vertical layering structure are enhanced from 20 km up, likely due to a decrease of the signal-to-noise ratio (SNR) for both lidar systems at those altitudes. Regarding the results obtained from the mean and the percentage differences found between MPL-4 and CALIOP δV profiles, a predominance of negative values is also observed, indicating a generalized underestimation of the MPL-4 depolarization as compared to that reported by CALIOP. However, absolute differences between those δV-profile data sets are no higher than a 10 ± 11% in average. Moreover, the degree of agreement between both lidar δV data sets is slightly dependent on the CALIPSO ground-track overpass distance from the Belgrano II station. That is, small discrepancies are found when CALIPSO ground-track distance is as close as far from the ground-based station. These results would indicate that MPL-4 depolarization observations would reflect relatively well the PSC field that CALIOP can detect at relatively large distances from the ground-based station. As a consequence, PSC properties can be statistically similar, on average, over large volumes, and hence the present weak disagreement found between both the lidar δV data sets can be likely dominated by small spatial PSC inhomogeneities along the CALIPSO separation from the station. This statement is based on the fact that Belgrano II is a station located well inside the stable Antarctic polar vortex, allowing determined thermodynamic conditions leading to a very low variability in the PSC field, and in their properties.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

ملخص. تلعب السحب الستراتوسفيرية القطبية (PSCs) دورًا مهمًا في استنفاد الأوزون القطبي، لأنها تشارك في عمليات تدمير الأوزون المتنوعة (تنشيط الكلور، إزالة النتروجين). تعتمد درجة انخفاض الأوزون على نوع PSCs، وبالتالي على حدوثها. لذلك، فإن توصيف PSC، الذي يركز بشكل أساسي على التمييز من نوع PSC، مطلوب على نطاق واسع. نسب التشتت العكسي (R) وإزالة الاستقطاب الخطي للحجم (δV) هي المعلمات المستخدمة عادة في قياسات الليدار للكشف عن PSC وتحديده. في هذا العمل، تم استخدام نسخة محسنة من معيار NASA/Micro Pulse Lidar (MPL -4)، والذي يتضمن وحدة كشف مدمجة لإزالة الاستقطاب، لملاحظات PSC فوق محطة Belgrano II الساحلية في أنتاركتيكا (الأرجنتين، 77.9° S 34.6° W، 256 m a.s.l.) منذ عام 2009. يعتمد فحص ميزة MPL -4 δV كمؤشر مناسب للتمييز من نوع PSC على تحليل البيانات ثنائية القناة، أي إشارات MPL المتوازية (p -) والعمودية (s -) المستقطبة. تركز هذه الدراسة على مقارنة ملفات تعريف δV المتزامنة كما تم الحصول عليها من قياسات MPL -4 الأرضية خلال ثلاثة فصول شتاء في القارة القطبية الجنوبية مع تلك المبلغ عنها من LIDAR CALIOP المحمولة في الفضاء (Cloud - Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) على متن القمر الصناعي CALIPSO (Cloud - Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) في نفس الفترة (يتم تحليل 83 حالة متزامنة لأوقات الشتاء الجنوبية 2009–2011). يتم النظر في ثلاثة مناهج مختلفة لتحليل المقارنة بين مجموعتي بيانات ملف تعريف ليدار من أجل اختبار درجة الاتفاق: معامل الارتباط (CC)، كمقياس للعلاقة بين كل من الهياكل الرأسية PSC ؛ متوسط الاختلافات مع قيم متوسط الجذر التربيعي (RMS) الموجودة بين مجموعات البيانات ؛ والنسبة المئوية للاختلافات (التحيز)، المعلمة المستخدمة أيضًا في مقارنات التنميط بين CALIOP وأنظمة ليدار الأرضية الأخرى. يتم فحصها جميعًا كدالة لمسافة المسار الأرضي لكاليبسو من محطة بلغرانو الثانية. تمثل النتائج اتفاقًا جيدًا نسبيًا بين كل من ملفات تعريف MPL -4 الأرضية و CALIOP المحمولة في الفضاء لنسبة إزالة الاستقطاب الخطية للحجم δV لأحداث PSC، بمجرد تطبيق معلمات معايرة إزالة الاستقطاب MPL -4. يتم تعزيز التناقضات بين ملامح CALIOP و MPL -4 في هيكل الطبقات الرأسية من 20 كم إلى أعلى، ويرجع ذلك على الأرجح إلى انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) لكلا نظامي ليدار على تلك الارتفاعات. فيما يتعلق بالنتائج التي تم الحصول عليها من المتوسط والنسبة المئوية للاختلافات الموجودة بين ملامح MPL -4 و CALIOP δV، لوحظ أيضًا غلبة القيم السلبية، مما يشير إلى التقليل العام من إزالة الاستقطاب MPL -4 مقارنة بتلك التي أبلغ عنها CALIOP. ومع ذلك، فإن الاختلافات المطلقة بين مجموعات البيانات δV - profile لا تزيد عن 10 ± 11 ٪ في المتوسط. علاوة على ذلك، تعتمد درجة الاتفاق بين مجموعتي بيانات lidar δV قليلاً على مسافة جسر المسار الأرضي CALIPSO من محطة Belgrano II. أي أنه يتم العثور على تناقضات صغيرة عندما تكون مسافة المسار الأرضي لكاليبسو قريبة من المحطة الأرضية. تشير هذه النتائج إلى أن ملاحظات إزالة الاستقطاب MPL -4 ستعكس بشكل جيد نسبيًا مجال PSC الذي يمكن لـ CALIOP اكتشافه على مسافات كبيرة نسبيًا من المحطة الأرضية. ونتيجة لذلك، يمكن أن تكون خصائص PSC متشابهة إحصائيًا، في المتوسط، على أحجام كبيرة، وبالتالي فإن الخلاف الضعيف الحالي الموجود بين مجموعتي بيانات lidar δV يمكن أن يهيمن عليه على الأرجح عدم تجانس PSC المكاني الصغير على طول فصل CALIPSO عن المحطة. يعتمد هذا البيان على حقيقة أن بلغرانو 2 هي محطة تقع داخل دوامة القطب الجنوبي المستقرة، مما يسمح بظروف ديناميكية حرارية محددة تؤدي إلى تقلب منخفض للغاية في مجال PSC، وفي خصائصها.

Translated Description (French)

Résumé. Les nuages stratosphériques polaires (CSP) jouent un rôle important dans l'appauvrissement de l'ozone polaire, car ils sont impliqués dans divers processus de destruction de l'ozone (activation du chlore, dénitrification). Le degré de cette réduction de l'ozone dépend du type de PSC, et donc de leur occurrence. Par conséquent, la caractérisation PSC, principalement axée sur la discrimination de type PSC, est largement demandée. Les rapports de rétrodiffusion (R) et de dépolarisation linéaire en volume (δV) sont les paramètres habituellement utilisés dans les mesures lidar pour la détection et l'identification PSC. Dans ce travail, une version améliorée de la norme NASA/Micro Pulse Lidar (MPL-4), qui comprend un module de détection de dépolarisation intégré, a été utilisée pour les observations PSC au-dessus de la station côtière Antarctique Belgrano II (Argentine, 77,9° S 34,6° W, 256 m ASL) depuis 2009. L'examen de la fonction MPL-4 δV en tant qu'indice approprié pour la discrimination de type PSC est basé sur l'analyse des données à deux canaux, c'est-à-dire les signaux MPL polarisés en parallèle (p-) et perpendiculaire (s-). Cette étude se concentre sur la comparaison des profils δV coïncidents obtenus à partir de mesures MPL-4 au sol au cours de trois hivers antarctiques avec ceux rapportés par le lidar spatial CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) à bord du satellite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) au cours de la même période (83 cas simultanés sont analysés pour les périodes hivernales australiennes 2009–2011). Trois approches différentes sont envisagées pour l'analyse comparative entre les deux ensembles de données de profil lidar afin de tester le degré de concordance : le coefficient de corrélation (CC), en tant que mesure de la relation entre les deux structures verticales PSC ; les différences moyennes ainsi que leurs valeurs quadratiques moyennes (RMS) trouvées entre les ensembles de données ; et les différences en pourcentage (BIAIS), paramètre également utilisé dans les comparaisons de profilage entre CALIOP et d'autres systèmes lidar au sol. Tous sont examinés en fonction de la distance au sol de CALIPSO par rapport à la station Belgrano II. Les résultats représentent un accord relativement bon entre les profils MPL-4 au sol et CALIOP spatiaux du rapport de dépolarisation linéaire en volume δV pour les événements PSC, une fois que les paramètres d'étalonnage de dépolarisation MPL-4 sont appliqués. Les écarts entre les profils CALIOP et MPL-4 dans la structure en couches verticales sont améliorés à partir de 20 km, probablement en raison d'une diminution du rapport signal sur bruit (SNR) pour les deux systèmes lidar à ces altitudes. En ce qui concerne les résultats obtenus à partir des différences moyennes et en pourcentage trouvées entre les profils MPL-4 et CALIOP δV, une prédominance de valeurs négatives est également observée, indiquant une sous-estimation généralisée de la dépolarisation MPL-4 par rapport à celle rapportée par CALIOP. Cependant, les différences absolues entre ces ensembles de données de profil δV ne sont pas supérieures à 10 ± 11 % en moyenne. De plus, le degré de concordance entre les deux ensembles de données lidar δV dépend légèrement de la distance de passage supérieur au sol de CALIPSO par rapport à la station Belgrano II. C'est-à-dire que de petites différences sont trouvées lorsque la distance sol-track de CALIPSO est aussi proche que possible de la station au sol. Ces résultats indiqueraient que les observations de dépolarisation de MPL-4 refléteraient relativement bien le champ PSC que CALIOP peut détecter à des distances relativement grandes de la station au sol. En conséquence, les propriétés de la PSC peuvent être statistiquement similaires, en moyenne, sur de grands volumes, et donc le faible désaccord actuel trouvé entre les deux ensembles de données lidar δV peut probablement être dominé par de petites inhomogénéités spatiales de la PSC le long de la séparation de CALIPSO de la station. Cette affirmation est basée sur le fait que Belgrano II est une station située bien à l'intérieur du vortex polaire antarctique stable, permettant des conditions thermodynamiques déterminées conduisant à une très faible variabilité dans le champ PSC, et dans leurs propriétés.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Las nubes estratosféricas polares (PSC) desempeñan un papel importante en el agotamiento del ozono polar, ya que están involucradas en diversos procesos de destrucción del ozono (activación del cloro, desnitrificación). El grado de esa reducción del ozono depende del tipo de PSC y, por lo tanto, de su aparición. Por lo tanto, la caracterización de PSC, centrada principalmente en la discriminación de tipo PSC, es muy demandada. Las relaciones de retrodispersión (R) y despolarización lineal de volumen (δV) son los parámetros utilizados generalmente en las mediciones lidar para la detección e identificación de PSC. En este trabajo, se ha utilizado una versión mejorada del estándar NASA/Micro Pulse Lidar (MPL-4), que incluye un módulo de detección de despolarización incorporado, para observar el PSC sobre la estación costera antártica Belgrano II (Argentina, 77.9° S 34.6° O, 256 m s.n.m.) desde 2009. El examen de la característica MPL-4 δV como un índice adecuado para la discriminación de tipo PSC se basa en el análisis de los datos de dos canales, es decir, las señales MPL polarizadas paralelas (p-) y perpendiculares (s-). Este estudio se centra en la comparación de perfiles δV coincidentes obtenidos a partir de mediciones terrestres de MPL-4 durante tres inviernos antárticos con los informados desde el lidar espacial CALIOP (Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization) a bordo del satélite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation) en el mismo período (se analizan 83 casos simultáneos para el invierno austral 2009–2011). Se consideran tres enfoques diferentes para el análisis de comparación entre ambos conjuntos de datos de perfil lidar con el fin de probar el grado de acuerdo: el coeficiente de correlación (CC), como una medida de la relación entre ambas estructuras verticales PSC; las diferencias de medias junto con sus valores de media cuadrática (RMS) encontrados entre los conjuntos de datos; y las diferencias porcentuales (SESGO), parámetro también utilizado en las comparaciones de perfiles entre CALIOP y otros sistemas lidar basados en tierra. Todos ellos se examinan en función de la distancia de CALIPSO a la estación Belgrano II. Los resultados representan una concordancia relativamente buena entre los perfiles MPL-4 en tierra y CALIOP en el espacio de la relación de despolarización lineal de volumen δV para eventos PSC, una vez que se aplican los parámetros de calibración de despolarización MPL-4. Las discrepancias entre los perfiles CALIOP y MPL-4 en la estructura de capas verticales se mejoran a partir de 20 km hacia arriba, probablemente debido a una disminución de la relación señal-ruido (SNR) para ambos sistemas lidar a esas altitudes. En cuanto a los resultados obtenidos de la media y las diferencias porcentuales encontradas entre los perfiles MPL-4 y CALIOP δV, también se observa un predominio de valores negativos, lo que indica una subestimación generalizada de la despolarización de MPL-4 en comparación con la reportada por CALIOP. Sin embargo, las diferencias absolutas entre esos conjuntos de datos de perfil δV no son superiores a un 10 ± 11% en promedio. Además, el grado de concordancia entre ambos conjuntos de datos lidar δV depende ligeramente de la distancia del paso superior de la pista de tierra de CALIPSO desde la estación Belgrano II. Es decir, se encuentran pequeñas discrepancias cuando la distancia de la vía terrestre de CALIPSO está lo más cerca posible de la estación terrestre. Estos resultados indicarían que las observaciones de despolarización de MPL-4 reflejarían relativamente bien el campo PSC que CALIOP puede detectar a distancias relativamente grandes desde la estación terrestre. Como consecuencia, las propiedades de PSC pueden ser estadísticamente similares, en promedio, en grandes volúmenes y, por lo tanto, el débil desacuerdo actual encontrado entre ambos conjuntos de datos lidar δV probablemente esté dominado por pequeñas inhomogeneidades espaciales de PSC a lo largo de la separación de CALIPSO de la estación. Esta afirmación se basa en el hecho de que Belgrano II es una estación ubicada bien dentro del vórtice polar antártico estable, lo que permite determinadas condiciones termodinámicas que conducen a una variabilidad muy baja en el campo PSC y en sus propiedades.

Files

amt-6-703-2013.pdf.pdf

Files (4.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:48d3b15d6bee0f893ddaa52b23a0a442
4.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نسبة إزالة الاستقطاب من الغيوم الستراتوسفيرية القطبية في القارة القطبية الجنوبية الساحلية: تحليل مقارنة بين ليدار النبض الدقيق الأرضي وملاحظات CALIOP المحمولة في الفضاء
Translated title (French)
Rapport de dépolarisation des nuages stratosphériques polaires en Antarctique côtier : analyse comparative entre les observations au sol de Micro Pulse Lidar et de CALIOP dans l'espace
Translated title (Spanish)
Relación de despolarización de nubes estratosféricas polares en la Antártida costera: análisis de comparación entre Micro Pulse Lidar basado en tierra y observaciones de CALIOP transmitidas por el espacio

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2014457627
DOI
10.5194/amt-6-703-2013

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1488824683
  • https://openalex.org/W1972182462
  • https://openalex.org/W2000780733
  • https://openalex.org/W2002083249
  • https://openalex.org/W2005192947
  • https://openalex.org/W2019347432
  • https://openalex.org/W2029491907
  • https://openalex.org/W2059581637
  • https://openalex.org/W2063980464
  • https://openalex.org/W2076785672
  • https://openalex.org/W2077751410
  • https://openalex.org/W2087199341
  • https://openalex.org/W2092792319
  • https://openalex.org/W2093808168
  • https://openalex.org/W2094554400
  • https://openalex.org/W2101972656
  • https://openalex.org/W2102476491
  • https://openalex.org/W2107919789
  • https://openalex.org/W2112446429
  • https://openalex.org/W2127024102
  • https://openalex.org/W2146107698
  • https://openalex.org/W2147935135
  • https://openalex.org/W2148883638
  • https://openalex.org/W2172077960
  • https://openalex.org/W2176825343
  • https://openalex.org/W4242931674
  • https://openalex.org/W4249774917