Optical and radiative properties of aerosols over southwestern puerto rico using the multifilter rotating shadow-band radiometer

Abstract

Currently, a poor understanding of aerosols in the atmosphere and their e??ffects on climate limits our ability to understand and quantify climate change. The most important issue about aerosols today is to reduce the uncertainty of known estimates of aerosol radiative forcing and its e??ffects on regional and global climate. Changes in atmospheric aerosol properties can modify the Earth's energy budget, the planetary albedo, the frequency of cloud occurrence, cloud thickness, and rainfall amounts. The quantitative determination of aerosols optical and radiative properties is then essential for the improvement of atmospheric models. In order to measure and ana- lyze the optical and radiative properties of aerosols, in a global or large scale context, the most e??ffective techniques are those of remote sensing. A Multi??lter Rotating Shadow-band Radiometer (MFRSR) was installed in June, 2005 at the Magueyes Island instrumental site (AERADNET) in Southwestern Puerto Rico (latitude = 17◦ 58' 13.5?? N, longitude = 67◦ 2' 43.5?? W, altitude = 12 m) as part of the NOAA Center for Atmospheric Sciences (NCAS) measurements. This ground-based instrument uses independent detectors and the automated shadow-band technique to make spectrally resolved measurements of total, direct and di??use components of solar irradiance at six wavelengths (414, 496, 612, 670, 868 and 937 nm) and at a broadband channel. The main objective was to obtain ground-based solar irradiance measurements in southwestern Puerto Rico, to determine the aerosols optical and radiative properties, such as aerosol optical depth (AOD) and Ångström exponent (α). Our analysis was focused at 496, 612, 670 and 868 nm, with a total of 59 clear days. Seasonal variations of AOD values with maximum values during the Summer (0.62) and minimum values during Winter (0.03) were found. Ångström exponent (α) results (496.2 nm - 868.3 nm) during a total of eight days with severe dust event passing over the site, include values from 0.10 to 0.31. A comparison of AOD and Ångström exponent between the MFRSR and the AERONET stations has been performed. There is remarkable agreement between both instruments observations with correlations coeffi??cients of 0.99, 0.99 and 0.99 for TOD at 500, 675, 870 nm respectively, 0.98, 0.98 and 0.97 for AOD and 0.95 for α. Comparison be- tween MFRSR and SeaWiFS satellite sensor was also performed with correlation coeffi??cients of 0.98. As a ??nal trajectory model analysis a classi??cation of aerosols for selected cases is also presented.

Actualmente, la falta de entendimiento sobre los aerosoles atmosféricos y sus efectos en el clima, limita nuestra capacidad para entender y cuanti??ficar el cambio climático. Uno de los problemas más importantes sobre aerosoles hoy día es la necesidad de reducir la incertidumbre en los estimados de forzamiento radiativo producido por aerosoles y sus efectos en el clima global y regional. Cambios en las propiedades de los aerosoles pueden modi??car el balance energético de la Tierra, su albedo, la frecuencia de formación de nubes, su espesor y la cantidad de lluvia. La descripción cuantitativa de sus propiedades es esencial para mejorar los modelos atmosféricos. A la hora de medir y analizar las propiedades ópticas y radiativas de los aerosoles en un contexto global, las técnicas más efectivas son las de percepción remota. Un radiómetro multicanal con banda de sombra rotante (MFRSR) fue instalado en junio de 2005 entre los instrumentos de la Isla Magueyes (AERADNET), ubicada al sur-oeste de Puerto Rico (17◦ 58' 13.5?? N, 67◦ 2' 43.5?? O - 12 m) como parte de las actividades del Centro de Ciencias Atmosféricas de NOAA (NCAS). Este instrumento contiene detectores independientes y usa la técnica de banda de sombra automática para hacer medidas espectrales de radiación total, directa y difusa a seis largos de onda (414, 496, 612, 670, 868 y 937 nm) y en un canal de banda ancha (no espectral). El objetivo principal es obtener medidas de irradianza solar en el sur-oeste de Puerto Rico, para determinar las propiedades ópticas y radiativas de los aerosoles tales como, el espesor óptico de aerosoles (AOD) y el exponente de Ångström (α). Nuestro análisis utilizó las bandas de 496, 612, 670 y 868 nm para un total de 59 días claros. Encontramos variaciones del AOD según la época del año, con valores máximos durante el verano (0.62) y mínimos durante el invierno (0.03). Los resultados del exponente de Ångström (α), calculado entre 496.2 nm y 868.3 nm, mostraron un total de ocho días con evento de polvo del desierto con valores desde 0.10 hasta 0.31. Se compararon los valores obtenidos por el MFRSR con los valores de la estación AERONET. Observamos gran similitud entre ambas mediciones, con coe??cientes de correlación de 0.99, 0.99 y 0.99 para TOD a 500, 675, 870 nm respectivamente, 0.98, 0.98 y 0.97 para AOD y 0.95 para α. También se realizaron correlaciones entre el MFRSR y el sensor satelital de SeaWiFS, obteniendo un coe??ciente de correlación de 0.98. En la fase ??nal se realizó un análisis de trayectorias obtenidas de modelos para clasi??ficar el tipo u origen de aerosoles en casos especí??ficamente seleccionados.