Titolo della tesi: Advanced Retrieval Algorithms for Atmospheric Aerosol Monitoring through Lidar-Ceilometer Networks and Integration with Other Remote Sensing and Modelling Techniques
Gli aerosol influenzano significativamente il sistema climatico e la qualità dell'aria. Le loro diverse fonti di emissione e i processi atmosferici risultano in una considerevole variabilità spazio-temporale che richiede un monitoraggio continuo. Il telerilevamento attivo attraverso la tecnica Light Detection and Ranging (lidar) consente di misurare il profilo verticale delle particelle atmosferiche, essenziale per valutare gli effetti radiativi degli aerosol, le dinamiche di trasporto, i processi di formazione e le interazioni aerosol-nuvole. Negli ultimi anni, gli Automated Lidar-Ceilometers (ALC) sono diventati strumenti preziosi per il monitoraggio dei profili degli aerosol, offrendo un funzionamento continuo e senza supervisione che ha guidato lo sviluppo di estese reti in tutto il mondo. Tuttavia, l'estrazione di informazioni quantitative dalle misure ALC presenta sfide significative, e la maggior parte delle reti attualmente manca di un'elaborazione dati completa per derivare le quantità geofisiche necessarie alle comunità di ricerca e monitoraggio atmosferico. Inoltre, il potenziale di integrazione degli ALC con altri sistemi di monitoraggio atmosferico è attualmente sottovalutato.
Questa ricerca affronta queste sfide sviluppando algoritmi avanzati per reti ALC che consentono il monitoraggio continuo e quantitativo dei profili di aerosol e l'integrazione con altre piattaforme di monitoraggio. Questo lavoro, condotto all'interno del Italian Automated Lidar-Ceilometer Network (ALICENET) con diversi contributi a iniziative di ricerca a livello Europeo, ha prodotto quattro risultati principali (parzialmente descritti in cinque pubblicazioni, tre delle quali come primo autore: Bellini et al., AMT, 2024; Bellini et al., Rem. Sens., 2025a; Bellini et al., in preparazione, 2025b). In primo luogo, ha sviluppato metodologie innovative per estrarre dati quantitativi atmosferici/aerosol dalle osservazioni ALC. Procedure raffinate di armonizzazione dei dati hanno migliorato le capacità di monitoraggio vicino alla superficie e l'accuratezza della calibrazione. L’estrazione delle proprietà degli aerosol ha implementato un approccio basato su modello che bypassa la necessità di misurazioni ancillari, fornendo profili di estinzione e concentrazione di volume/massa degli aerosol. Un nuovo algoritmo ALADIN (Aerosol LAyer DetectIoN) è stato progettato e implementato per fornire una caratterizzazione continua delle stratificazioni di aerosol nella troposfera, identificando strati di aerosol misti, continui ed elevati. La validazione estensiva degli algoritmi ha dimostrato un'accuratezza con accordo del 30% per le proprietà ottiche degli aerosol rispetto alle misurazioni di ricerca (es. dalla NASA Aerosol Robotic Network) e accordo del 40% per le concentrazioni di massa rispetto alle osservazioni in-situ.
In secondo luogo, la ricerca ha stabilito un quadro di elaborazione completo adatto all'uso operativo all'interno delle reti. Questo quadro incorpora procedure di controllo di qualità in ogni fase di elaborazione e produce output che vanno dal monitoraggio di base in tempo quasi reale (Livelli 1-2) ai recuperi avanzati di aerosol (Livello 3) per applicazioni di ricerca.
In terzo luogo, le metodologie sono state applicate con successo in vari domini, dimostrando un'efficace integrazione con altri sistemi di telerilevamento e modelli. La catena di elaborazione ha permesso il tracciamento in tempo reale degli eventi di trasporto di aerosol da regionali a intercontinentali, comprese le intrusioni di polvere sahariana e di incendi canadesi, supportando al contempo le previsioni meteorologiche attraverso una migliore rappresentazione delle interazioni aerosol-radiazione. Gli approcci di profilazione hanno migliorato il monitoraggio della qualità dell'aria nelle aree urbane (Parigi, Roma e la Valle del Po), rivelando molteplici processi atmosferici che impattano le concentrazioni di particolato superficiale. L'applicazione dei nuovi strumenti su record ALC a lungo termine in diversi siti di monitoraggio italiani ha caratterizzato in modo completo le distribuzioni verticali di aerosol e le dinamiche da scale temporali sub-orarie a stagionali. L'analisi ha rivelato marcati gradienti latitudinali e stagionali: il sito alpino settentrionale ha mostrato concentrazioni mediane di particolato inferiori a 15 μg m⁻³ in tutta la colonna, mentre i siti urbani e costieri dell'Italia centrale e meridionale hanno mostrato valori superiori a 40 μg m⁻³ nella troposfera inferiore. Durante i mesi invernali, il 70-80% dello spessore ottico dell'aerosol era concentrato entro il primo chilometro, mentre in estate il 30-60% si verificava sopra i 2 km di altitudine. Gli strati elevati di aerosol, rilevati durante il 40% dei giorni estivi, hanno influenzato significativamente la qualità dell'aria superficiale per il 10-40% di questi giorni. Il confronto con le rianalisi di modelli all'avanguardia ha rilevato una sottostima del particolato da parte del modello di 5-15 μg m⁻³ nell'intervallo di altitudine 1-3 km e un accordo del 10-30% nella rappresentazione delle dinamiche dello strato rimescolato.
Quarto, il lavoro ha favorito e supportato l'espansione delle capacità di monitoraggio ALC in Italia, colmando una lacuna osservativa a livello nazionale e dell'UE.
Nel complesso, questa ricerca avanza la capacità di monitoraggio degli aerosol atmosferici in Italia. La sua piena implementazione pianificata all'interno di ALICENET consente il monitoraggio continuo delle proprietà ottiche degli aerosol, delle distribuzioni verticali del particolato e dell'evoluzione degli strati rimescolati/elevati per le valutazioni di qualità dell'aria, colmando il divario tra applicazioni orientate alla ricerca e operative.