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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.43.2005.tde-29112006-120324
Document
Author
Full name
Andrea Dardes de Almeida Castanho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2005
Supervisor
Committee
Netto, Paulo Eduardo Artaxo (President)
Andrade, Maria de Fatima
Ceballos, Juan Carlos
Dias, Pedro Leite da Silva
Muramatsu, Mikiya
Title in Portuguese
"Propriedades ópticas das partículas de aerossol e uma nova metodologia para a obtenção de espessura óptica via satélite sobre São Paulo"
Keywords in Portuguese
Aerossol
Poluição atmosférica
Sensoriamento remoto
Abstract in Portuguese
A poluição atmosférica é hoje uma questão que afeta as megacidades por todo o mundo. As partículas de aerossol participam do balanço radiativo, da formação de nuvens, da química atmosférica, e são prejudiciais à saúde da população exposta. A extensão e o rápido crescimento das megacidades têm levado à necessidade do desenvolvimento de ferramentas para o monitoramento da poluição do ar, urbana e regional, por sensoriamento remoto via satélites. Foram analisadas as propriedades ópticas dos aerossóis da região metropolitana de São Paulo com medidas obtidas por fotômetros da rede mundial AERONET (Aerosol Robotic Network) operada pela NASA. Foi desenvolvida uma nova metodologia para a determinação da espessura óptica das partículas de aerossol com alta resolução espacial de 1x1 km, sobre a região metropolitana de São Paulo, por satélite. Cinco modelos ópticos de aerossol, representativos da região, foram definidos como função do albedo simples. No comprimento de onda de 550 nm, os modelos possuem valores de albedo simples que variam de 0,83 a 0,93. Foram utilizadas medidas de radiâncias obtidas com o sensor MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer), a bordo dos satélites Terra e Aqua da NASA. Extensos testes de sensibilidade foram realizados, analisando o papel do albedo simples, parâmetro de assimetria, refletância de superfície, vapor de água e outras propriedades na espessura óptica derivada. O algoritmo desenvolvido utiliza a propriedade de refletância crítica, que pode ser obtida pelo próprio sensor, para determinar o modelo de aerossol a ser empregado. Este procedimento permitiu a identificação mais precisa do modelo de aerossol, de forma dinâmica e interativa, reduzindo a incerteza na determinação da espessura óptica em alta resolução com o sensor MODIS. Os resultados de validação mostraram uma melhora significativa na comparação entre os produtos de espessura óptica obtidos com o sensor MODIS, quando comparado com as medidas de referência obtidas com radiômetros em superfície. Foram obtidos com esta metodologia mapas com a distribuição espacial de aerossóis com resolução de 1x1 km. Os estudos de casos também apresentaram a potencialidade do método em identificar o modelo de aerossol mais adequado, seja em eventos de poluição local, seja de transporte de poluentes de longa distância. Os modelos e procedimentos desenvolvidos podem ser aplicados a outras regiões urbanas, após as devidas validações. Como ferramenta complementar ao monitoramento ambiental de estações de superfície o produto apresentado pode-se tornar operacional e ser utilizado em rotina por órgãos de controle ambiental em megacidades, como, por exemplo, pela CETESB em São Paulo
Title in English
Aerosol optical properties and a new methodology to retrieve aerosol optical thickness from satellite over São Paulo
Keywords in English
Aerosol
Atmospheric pollution
Remote sensing
Abstract in English
Urban air pollution is a public concern in all megacities around the world. Aerosol particles are active participants in the atmospheric energy budget, cloud properties, atmospheric chemistry and have adverse effects on human health. The spatial extension and the high growth rate of the megacities show the need of the use of remote sensing technologies on urban air pollution monitoring. Optical properties of São Paulo aerosol particles were analyzed using global sun photometer measurements from the AERONET (Aerosol Robotic Network) operated by NASA. A new methodology was developed to retrieve aerosol optical thickness in 1x1 km resolution over São Paulo metropolitan area from satelites measurements. Five aerosol optical models representative of the region were defined as a function of the single scattering albedo. The single scattering albedo in 550 nm varied from 0,83 to 0,93 in the models. Radiances were used from MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) sensor on Terra and Aqua NASA platforms. Sensitivities studies have shown the importance of the single scattering albedo, assymmetry parameter, surface reflectance, water vapor and other properties in the aerosol optical thickness retrieval from space. The developed algorithm uses the critical reflectance aerosol property, that is obtainable from the sensor measurements, to identify the aerosol model to be used. This procedure allow a more precise and dynamic definition of the aerosol model, reducing the uncertainties in the aerosol optical thickness retrieved from the MODIS sensor. Validation results have shown a significant improvement in a comparison between aerosol optical thickness obtained from MODIS and from surface radiometers measurements. Aerosol optical thickness images with 1x1 km resolution were obtained with this methodology and shows that the increase in the resolution of the aerosol optical thickness provides a more effective monitoring of the aerosol distribution in São Paulo. The case studies have shown the potentiality of this methodology to identify an adequate aerosol model, for both local aerosol pollution and in the long distance transport of pollutants. The models and procedures developed in this work can be applied in other urban regions with the appropriate validation. The presented product can be operational and used as routine measurement by environmental agencies in megacities, as an example, for CETESB in São Paulo, as a complementary tool to the regular ground based particulate matter monitoring.
 
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1442940.pdf (15.27 Mbytes)
Publishing Date
2006-12-04
 
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