PARTE I 1.1 Programma di Ricerca afferente a 1.2 Titolo del

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MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER L'UNIVERSITÀ, L'ALTA FORMAZIONE ARTISTICA, MUSICALE E COREUTICA E PER LA
RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n.582/2006 del 24 marzo 2006)
PROGRAMMA DI RICERCA - MODELLO A
Anno 2006 - prot. 2006027825
PARTE I
1.1 Programma di Ricerca afferente a
Area Scientifico Disciplinare 02: Scienze fisiche 100%
1.2 Titolo del Programma di Ricerca
Testo italiano
Network per l' uso integrato di osservazioni e modelli per valutare nel bacino centrale del Mediterraneo il trasporto degli aerosol ed
il loro impatto sul clima
Testo inglese
Network for an integrated observing and modeling system for the evaluation of aerosol transport and energy balance impact on
climate in the central Mediterranean region
1.3 Abstract del Programma di Ricerca
Testo italiano
Le incertezze sulle attuali stime della forzatura radiativa degli aerosol, sono dovute alla non adeguata conoscenza del trasporto,
distribuzione e proprietà chimico-fisiche degli aerosol. Allo scopo, è in atto un notevole sforzo della comunità scientifica per
migliorare la qualità delle misure ed avere dati statisticamente più significativi e quindi, avere stime della forzatura radiativa degli
aerosol sempre più dipendenti dalle misure e meno dai modelli. Per contribuire in modo significativo a tale attività, si propone un
progetto tra 3 sedi Universitarie al fine di caratterizzare nel Mediterraneo Centrale, le principali proprietà del carico aerosolico, i
processi di trasporto degli aerosol e per valutare l'impatto degli aerosol sul bilancio energetico Terra-Atmosfera e quindi sul clima.
Si intende realizzare tale progetto attraverso l'uso integrato di dati ricavati da misure al suolo e da satellite e da modelli numerici:
le misure sono essenziali per definire le proprietà degli aerosol ma, se si vogliono studiare gli effetti degli aerosol sul clima, è
egualmente essenziale disporre di adeguati modelli di trasporto e di trasferimento radiativo. Per caratterizzare la distribuzione
verticale e le proprietà degli aerosol atmosferici, oltre ai dati satellitari, saranno utilizzate le misure effettuate presso tre differenti
siti (Roma, Lecce e Lampedusa), con tecniche di monitoraggio remoto attivo (lidar), passivo (radiometri) ed attraverso il
campionamento del particolato al suolo. Di peculiare importanza ai fini del progetto, è la locazione geografica dei siti scelti perchè
permette di meglio investigare il trasporto degli aerosol nel bacino del Mediterraneo, e di studiare con maggiore accuratezza la
sensibilità dei modelli di forzatura radiativa ai diversi tipi di aerosol. Si ritiene che l'avvezione di masse d'aria dall'Atlantico,
dall'Europa e dal nord Africa influenzi in maniera differente il carico aerosolico dei tre siti e che gli aerosol di origine locale siano
caratterizzati nei tre siti da differenti proprietà chimico-fisiche. Per il conseguimento dei sopramenzionati obiettivi, al Progetto
partecipano 3 sedi: Lecce, Roma e Ferrara, con differenti ruoli e competenze.
La principale attività dell'Unità di Lecce sarà quella di coordinare ed analizzare statisticamente le misure relative agli aerosol
effettuate nei 3 siti, al fine di definire per ogni sito:
(a) l'insieme dei dati che caratterizzano le proprietà chimico-fisiche degli aerosol e la loro distribuzione verticale, in funzione del
periodo stagionale e delle condizioni meteorologiche,
(b) il contributo antropico al carico aerosolico totale ed i parametri che meglio permettono di caratterizzare gli aerosol nei modelli
di trasferimento radiativi e che meglio si adattano al confronto con gli output del modello di trasporto.
La principale attività dell'Unità di Roma sarà quella di utilizzare differenti modelli di trasferimento radiativo per studiare nei vari
siti:
(a) la forzatura radiativa degli aerosol al top dell'atmosfera e sulla superficie, per la radiazione solare ed infrarossa e considerando
anche la presenza delle nubi;
(b) come la forzatura atmosferica, quella al top e quella alla superficie dipendano dal modello di trasferimento radiativo utilizzato e
dai parametri usati per caratterizzare le proprietà degli aerosol nei diversi modelli.
L'attività dell'Unità di Ferrara, oltre all'analisi dei dati satellitari relativi alla copertura nuvolosa, sarà rivolta a realizzare
simulazioni numeriche del carico aerosolico nel Mediterraneo Centrale al fine di:
(a) comprendere la variabilità dell'aerosol atmosferico e valutare la rappresentatività delle misure puntuali effettuate dall'altre
Unità con differenti tecniche;
MIUR - BANDO 2006
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,
Ministero dell Istruzione,
dell ,Università e della Ricerca
(b)fornire alle altre Unità dati per il confronto e l'interpretazione delle misure collocandole in un continuo nello spazio/tempo per
una migliore interpretazione dei processi di trasporto e del bilancio radiativo.
Testo inglese
The large uncertainties on the current estimations of the aerosol radiative forcing are due to a not complete knowledge of the
transport, the distribution and the chemical-physical properties of aerosols. The scientific community has started a big effort to the
purpose of ameliorating measurements and obtaining statistically significant data and, as a consequence, to get radiative forcing
estimations relying more on measurements than on models. To contribute to this activity, we propose a joint project by three
Universities to characterize over the central Mediterranean basin, the principal properties of the aerosol load, the principal aerosol
transport processes, and to evaluate the aerosol impact on the Earth-Atmosphere energetic balance and consequently on the
climate. We will realize this project by the integrated use of experimental data from ground based and satellite measurements and
numerical models: measurements are necessary to define aerosol properties but it is also necessary to get suitable transport and
radiative transfer models to study aerosol effects on the climate. Both satellite data and ground based measurements will be used to
characterize the aerosol vertical distribution and optical and microphysical properties. Ground based measurements will be
performed by remote active and passive sensors (lidars and radiometers, respectively), and by in situ sampling, in three sites of the
Mediterranean (Roma, Lecce and Lampedusa). The geographical location of these three sites is very important because it allows to
better investigate the aerosol transport in the Mediterranean basin and to study with better accuracy the sensitivity of the radiative
forcing models to the different kinds of aerosols. It is believed that the advection of air masses from Atlantic, Europe and North
Africa influences in a different way the aerosol load of the three sites and that local aerosols are characterized by different
chemical-physical properties in the three sites. To fulfil the above mentioned objectives, three Universities (Lecce, Roma, and
Ferrara) participate to the project with different roles and competences.
The main activity of the Lecce Unity will be to coordinate the aerosol monitoring activities and to perform the statistical analysis of
all aerosol measurements made in the three sites to define, for each site:
(a)the ensemble of data that characterize the chemical-physical aerosol properties and their vertical distribution, as a function of
the season and meteorological conditions,
(b) the anthropogenic contribution to the aerosol load, the best parameterization of the aerosol properties in the radiative transfer
models, and
(c)the most suitable parameters for the inter comparison studies with the transport model outputs.
The main activity of the Unit of Rome will be to use different radiative transfer models to study in different sites:
a)the radiative forcing of aerosols at the top of the atmosphere and at the surface for the solar and infrared radiation, both in the
presence and without clouds.
b) how the atmospheric forcing and that at the top of the atmosphere and at the surface depend on the used radiative transfer model
and on the parameters used to characterize the aerosol properties in the different tested models.
The main activity of the Ferrara Unit besides the analysis of satellite-based cloud observations is to perform numerical simulation of
the aerosol load over the Central Mediterranean, in order to:
a) assess the local variability of the aerosol in the atmosphere and give estimates of the representativeness of the point
measurements performed at Lampedusa, Lecce and
Roma by the other Units using different techniques;
b) supply the other research units with data for comparison and interpretation of measurements, merging them in 4D fields for a
better interpretation of the transport processes and the evaluation of the radiative budget.
1.4 Durata del Programma di Ricerca
24 Mesi
1.5 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca
FIS/06 - Fisica per il sistema terra e per il mezzo circumterrestre
FIS/03 - Fisica della materia
FIS/07 - Fisica applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina)
MIUR - BANDO 2006
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,
1.6 Parole chiave
nº
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Parola chiave (in italiano)
AEROSOL
ATMOSFERA
FORZATURA RADIATIVA
MODELLI DI TRASPORTO
LIDAR
RADIOMETRI SATELLITEARI
FOTOMETRI SOLARI
AMBIENTE
Parola chiave (in inglese)
AEROSOL
ATMOSPHERE
RADIATIVE FORCING
TRANSPORT MODELS
LIDAR
SATELLITE RADIOMETERS
SUNPHOTOMER
ENVIRONMENT
1.7 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca
PERRONE
(Cognome)
MARIA RITA
(Nome)
Professore Ordinario
(Qualifica)
21/01/1950
(Data di nascita)
PRRMRT50A61D883U
(Codice di identificazione personale)
FIS/03 - Fisica della materia
(Settore scientifico-disciplinare)
Università degli Studi di LECCE
(Università)
Facoltà di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI
(Facoltà)
Dipartimento di FISICA
(Dipartimento)
0832/297498
(Prefisso e telefono)
0832/297505
(Numero fax)
[email protected]
(Indirizzo posta elettronica)
1.8 Curriculum scientifico
Testo italiano
Perrone Maria Rita e' professore ordinario di Struttura della Materia (FIS/03) presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di
Lecce ed è membro dello stesso Dipartimento. Dal 1990 è responsabile del Laboratorio di Elettronica Quantistica. E' membro del
collegio dei docenti del Dottorato in Fisica. E' coordinatore dell' Unita' di Ricerca di Lecce nell' ambito del CNISM-Consorzio
Nazionale Interuniversitario per le Scienze Fisiche della Materia. E' stata responsabile di diversi progetti nazionali ed
internazionali. Le principali linee di ricerca perseguite sono:
· Stabilità del plasma in strutture toroidali;
· Produzione e dinamica di fasci intensi di elettroni ed interazione dei fasci di elettroni con gas e plasmi;
· Laser ad eccimeri: realizzazione e sviluppo;
· Studio ed applicazioni di cavità laser non-convenzionali ed analisi della coerenza della radiazione laser;
· Studio di processi ottici non lineari; Scattering Raman in gas e fibre ottiche, scattering Brillouin in liquidi e gas, coniugazione
ottica di fase;
· Trattamento di film dielettrici con laser ad eccimeri;
· Sistemi LIDAR per ilmonitoraggio della distribuzione verticale di aerosol, vapore acqueo e della temperatura.
. Caratterizzazione degli aerosol con tecniche di monitoraggio remoto passivo al suolo e da satellite.
. Campionamento e caratterizzazione del particolato al suolo.
. Effetti radiativi degli aerosol.
Testo inglese
Perrone Maria Rita is full Professor of "Struttura della Materia (FIS/03)" at the Physic Department of Lecce's University and she is
a member of this Department. Since 1990 she is leader of the laboratory of "Elettronica Quantistica". Se is coordinator of the
University of Lecce's Unity within CNISM-Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Scienze Fisiche della Materia.She has been
principal investigator of several national and international projects. Her research activities have been devoted to the following main
research areas:
° Plasma stability in toroidal structures;
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,
° Production and dynamics of electron beams and interactions of electron beams with plasma and gases;
° Excimer lasers: realization and development;
° Study and applications of non-conventional resonators and laser coherence analysis;
° Non linear optical processes investigations: Raman scattering in gases fibers, Brillouin scattering in liquid and gases and optical
phase conjugation;
° Dielectric films processing with excimer lasers;
° LIDAR systems for the vertical monitoring of aerosols, water vapor, and temperature.
° Aerosol characterization by ground and satellite based remote sensing techniques. .
° Sampling and characterization of ground collected particulate matter.
° Aerosol radiative effects on climate.
1.9 Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore del Programma di Ricerca
1.
A. M. TAFURO, F. BARNABA, F. DE TOMASI, PERRONE M., G.P. GOBBI (in stampa). Saharan ndust particles
properties over the central Mediterranean. ATMOSPHERIC RESEARCH. ISSN: 0169-8095 accepted, to be published.
2.
F. DE TOMASI, A. M. TAFURO, PERRONE M. (in stampa). Height and seasonal dependence of aerosol optical properties
over south-east Italy. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH. ISSN: 0148-0227 accepted, to be published.
3.
F. DE TOMASI, PERRONE M. (2006). PBL and dust layer seasonal evolution by lidar and radiosounding measurements
over a peninsular site. ATMOSPHERIC RESEARCH. vol. 80 pp. 86-103 ISSN: 0169-8095
4.
PERRONE M., A.TURNONE, A. BUCCOLIERI, G. BUCCOLIERI (2006). Particulate matter chracterization at a coastal
site in south-eastern Italy. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL MONITORING. vol. 8 pp. 183-190 ISSN: 1464-0325
5.
PERRONE M., M. SANTESE, A. M. TAFURO, B. HOLBEN, AND A. SMIRNOV (2005). AEROSOL
LOADCHARACTERIZATION OVER SOUTH-EAST ITALY BY ONE YEAR OF AERONET SUN-PHOTOMETER
MEASUREMENTS. ATMOSPHERIC RESEARCH. vol. 75 pp. 111-133 ISSN: 0169-8095
6.
PERRONE M., M.SANTESE, A. TAFURO, C. LANCONELLI, A. LUPI, M. MAZZOLA, C. TOMASI, V. VITALE (2005).
DIRECT RADIATIVE FORCING OF CONTINENTAL AND DUST AEROSOLS OVER SOUTH-EAST ITALY. First Accent
Symposium 2005. (pp. 18). ABSTRACT OF THE FIRST ACCENT SYMPOSIUM "THE CHANGING CHEMICAL CLIMATE
OF THE ATMOSFERE" URBINO, SEPTEMBER 12-16,2005.
7.
S. GUIBERT, V. MATTHIAS, M. SCHULZ, J. BOSENBERG, R. EIXMANN, I. MATTIS, G. PAPPALARDO, PERRONE
M., N. SPINELLI, G. VAUGHAN (2005). THE VERTICAL DISTRIBUTION OF AEROSOL OVER
EUROPE-SYNTHESISOF ONE YEAR OF EARLINET AEROSOL LIDAR MEASUREMENTS AND AEROSOL TRANSPORT
MODELING WITH LMDZ-INCA. ATMOSPHERIC ENVIRONMENT. vol. 39 pp. 2933 - 2943 ISSN: 1352-2310
8.
F. BARNABA, F. DE TOMASI, G.P. GOBBI, PERRONE M., AND A. TAFURO (2004). Extinction versus backscatter
relationships for lidar applications at 351 nm: maritime and desert aerosol simulations and comparison with observations.
ATMOSPHERIC RESEARCH. vol. 70 pp. 229-259 ISSN: 0169-8095
9.
PERRONE M., F. BARNABA, F. DE TOMASI, G. P. GOBBI, AND A. TAFURO (2004). Imaginary refractive-index effects
on desert-aerosol extinction versus backscatter relationships at 351 nm: numerical computations and comparison with
Raman lidar measurements. APPLIED OPTICS. vol. 29 pp. 5531-5541 ISSN: 0003-6935
10.
PERRONE M., M. SANTESE, A. M. TAFURO, AND F. DE TOMASI (2004). Aerosol Characterization by AERONET
Sunphotometry. OPTICA PURA Y APLICADA. vol. 37 no. 3 pp. 3299-3302 ISSN: 0030-3917
11.
PERRONE M., A. TURNONE, AND A. TEPORE (2004). Characterization of Atmospheric Particles in a coal-burning
power plant area. EUROPEAN AEROSOL CONFERENCE 2004. (pp. S1241-S1242). ABSTRACTS OF THE EUROPEAN
AEROSOL CONFERENCE(6 - 10 September, 2004, Budapest, Hungary), J. OF AEROSOL SCIENCE.
12.
F. DE TOMASI, A. TAFURO, PERRONE M. (2004). Seasonal Evolution of the dust Layer Over a Peninsular Site. 22ND
ILRC 2004. (pp. 907-909). REVIEWED AND REVISED PAPERS PRESENTED AT THE 22ND INTERNATIONAL LASER
RADAR CONFERENCE (ILRC,12-16 JULY, 2004, Matera, Italy), G. PAPPALARDO AND A. AMODEO EDITORS,
EUROPEAN SPACE AGENCY.
13.
A. TAFURO, F. DE TOMASI, PERRONE M., F. BARNABA, AND G. P. GOBBI (2004). PARTICLES NON-SPHERICITY
EFFECTS ON EXTINCTION VERSUS BACKSCATTER RELATIONSHIPS OF DESERT AEROSOLS: NUMERICAL AND
EXPERIMENTAL RESULTS. 22ND ILRC 2004. (pp. 519-522). REVIEWED AND REVISED PAPERS PRESENTED AT THE
22ND INTERNATIONAL LASER RADAR CONFERENCE (ILRC,12 - 16 July, 2004, Matera, Italy),G. PAPPALARDO AND
A. AMODEO EDITORS, EUROPEAN SPACE AGENCY.
14.
V. MATTHIAS, D. BALIS, J. BOSENBERG, R. EIXMANN, M. IARLORI, L. KOMGUEM, I. MATTIS, A. PAPAYANNIS,
G. PAPPALARDO, PERRONE M., X. WANG (2004). Vertical aerosol distribution over Europe: statisical analysis of
Raman lidar data from 10 European Aerosol Reseearch Lidar Network (EARLINET) stations. JOURNAL OF
GEOPHYSICAL RESEARCH. vol. 109 D18201 ISSN: 0148-0227
15.
A. BLANCO, F. DETOMASI, E. FILIPPO, D. MANNO, M. R. PERRONE, A. SERRA, A. M. TAFURO, PERRONE M.
(2003). Characterization of African dust over souther Italy. ATMOSPHERIC CHEMISTRY AND PHYSICS. vol. 3 pp.
2147-2159 ISSN: 1680-7324
16.
F. DE TOMASI, A, TAFURO, PERRONE M. (2003). Three Years Systematic Lidar Measurements of Tropospheric
Aerosols. ABSTRACTS OF THE EUROPEAN AEROSOL CONFERENCE (31 AUGUST-5 SEPTEMBER, 2003, MADRID,
SPAIN), J. OF AEROSOL SCIENCE, S1111-1112.
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-4-
,
17.
F. DE TOMASI, A. BLANCO, PERRONE M. (2003). Raman lidar monitoring of extinction and backscattering of African
dust layers and dust characterization. APPLIED OPTICS. vol. 42 pp. 1699-1700 ISSN: 0003-6935
18.
F. DE TOMASI, P. MARTANO, M. MIGLIETTA, MORABITO A., PERRONE M. (2003). Lidar monitoring of water vapor
and comparison with numerical simulations. NUOVO CIMENTO DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA. C,
GEOPHYSICS AND SPACE PHYSICS. vol. C 26 pp. 373-385 ISSN: 1124-1896
19.
PERRONE M. (2003). Lidar measurements of tropospheric water vapor and aerosols over southeastern Italy. JOURNAL OF
GEOPHYSICAL RESEARCH. vol. 108 pp. 4286-4297 ISSN: 0148-0227
20.
F. DE TOMASI, A. TAFURO, PERRONE M. (2002). MODELISATION OF AEROSOL EXTINCTION AND
BACKSCATTERING PROPERTIES AND COMPARISON WITH ELASTIC-RAMAN LIDAR OBSERVATIONS. REVIEWED
AND REVISED PAPERS PRESENTED AT THE 21ST INTERNATIONAL LASER RADAR CONFERENCE (ILRC), 8-12
JULY, 2002, QUEBEC, CANADA, L. R. BISSONNETTE, G. ROY, AND G. VALLEE EDITORS, 603-606.
21.
F. DE TOMASI, PERRONE M., P.P. POMPA, AND M. L.PROTOPAPA (2002). Lidar monitoring of tropospheric aerosols
over the Salentum Peninsula (Italy). PROC. SPIE, VOL. 4484, 170-177.
22.
PERRONE M. (2002). Lidar Characterization of Volcanic Dust Performed by European Aerosol Research Lidar Network
(EARLINET project) during Etna's Eruption. REVIEWED AND REVISED PAPERS PRESENTED AT THE 21ST
INTERNATIONAL LASER RADAR CONFERENCE (ILRC), 8-12 JULY, 2002, QUEBEC, CANADA, L. R. BISSONNETTE,
G. ROY, AND G. VALLEE EDITORS, 313-315.
23.
PERRONE M. (2002). EARLINET MEASUREMENTS OF THE AEROSOL EXTINCTION-TO-BACKSCATTER RATIO.
Reviewed and revised papers presented at the 21st International Laser Radar Conference (ILRC), 8-12 July, 2002, Quebec,
Canada, L. R. Bissonnette, G. Roy, and G. Vallee Editors, 301-304.
24.
F. DE TOMASI, PERRONE M., M. L. PROTOPAPA (2001). Monitoring O3 with solar-blind Raman lidars. APPLIED
OPTICS. vol. 40 pp. 1315-1320 ISSN: 0003-6935
25.
F. DE TOMASI, D. GUIDO, P. P. POMPA, M. C. FRASSANITO, M. L. PROTOPAPA, PERRONE M. (2001).
Simultaneous Mesurements of Tropospheric Aerosols and Water Vapor vertical Profiles. European Aerosol Conference.
(vol. 32 pp. S441-S442). Journal Of Aerosol Science.
26.
F. DE TOMASI, PERRONE M., M.L. PROTOPAPA (2001). Ozone monitoring with KrF based Raman Lidars. APPLIED
OPTICS. vol. 40 pp. 1314-1320 ISSN: 0003-6935
27.
F. DE TOMASI, G. TORSELLO, PERRONE M. (2000). Water-vapor mixing-ratio measurements in the solar-blind region.
OPTICS LETTERS. vol. 25 pp. 686-688 ISSN: 0146-9592
28.
F. DE TOMASI, PERRONE M., M. L. PROTOPAPA (2000). Ground-based Raman-lidar for Day and Night Measurements
of Water-vapor in the Boundary Layer. NUOVO CIMENTO DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA. C. vol. 23 pp.
587-596 ISSN: 0390-5551
29.
J. SCHNEIDER, D. BALIS, C. BOCKMANN, J. BOSEMBERG, B. CALPINI, A. P. CHAIKOVSKY, A. CAMERON, P.
FLAMANT, V. FREUDENTHALER, A. HAGARD, I. MATTIS, PERRONE M., A. PAPAYANNIS, G. PAPPALARDO, J.
PELON, M. R. PERRONE, D. P. RESENDES, N. SPINELLI, T. TRICKL, G. VAUGHAN, G. VISCONTI (2000). A
European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology (EARLINET). JOURNAL OF AEROSOL
SCIENCE. vol. 31 pp. 592-593 ISSN: 0021-8502
30.
F. DE TOMASI, G. TORSELLO, D. DISO, M. L. PROTOPAPA, PERRONE M. (1999). Daytime Raman lidar for vertical
profiling of water vapour and ozone. Europto Conference on Satellite Remote sensing of Clouds and the Atmosphere IV.
(vol. SPIE Vol. 3867 pp. 228-234).
1.10 Elenco delle Unità di Ricerca
Unità
Responsabile
Scientifico
Qualifica
Settore
Disc.
Università
Dipart./Istituto
Mesi
Uomo
I
PERRONE
MARIA RITA
Professore
Ordinario
FIS/03
Università degli Studi di LECCE Dip. FISICA
12
II
SIANI ANNA
MARIA
Ricercatore
Universitario
FIS/06
Università degli Studi di ROMA
"La Sapienza"
Dip. FISICA
12
III
PRODI FRANCO Professore
Ordinario
FIS/06
Università degli Studi di
FERRARA
Dip. FISICA
12
1.11 Mesi uomo complessivi dedicati al programma
Numero
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca
Personale universitario di altre Università
Titolari di assegni di ricerca
MIUR - BANDO 2006
Mesi uomo Mesi uomo Totale mesi
1° anno
2° anno
uomo
8
38
39
77
0
0
0
0
1
2
5
7
-5-
,
Titolari di borse
Dottorato
Post-dottorato
Scuola di Specializzazione
Personale a contratto
Assegnisti
Borsisti
Altre tipologie
Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico programma
Personale extrauniversitario
TOTALE
MIUR - BANDO 2006
7
0
0
2
0
2
0
5
25
42
34
76
21
19
40
16
0
12
131
14
0
12
123
30
0
24
254
-6-
,
PARTE II
2.1 Obiettivo del Programma di Ricerca
Testo italiano
Sono diversi gli eventi che dimostrano che il clima della Terra sta cambiando. I cambiamenti del clima sono il risultato sia di
processi di feedback interni al sistema climatico, sia di fattori esterni (naturali ed antropici), la cui influenza viene generalmente
rappresentata attraverso il concetto di forzatura radiativa. Oltre alle nubi, ai gas presenti in traccia e all'irradianza solare, gli
aerosol naturali e antropici, rappresentano uno dei maggiori fattori che sono responsabili dei cambiamenti del forcing radiativo.
Comunque, sono attualmente notevoli le incertezze relative alle stime della forzatura radiativa dovuta agli aerosol. Questo è
determinato dalla non completa conoscenza sia della distribuzione spaziale e temporale del carico aerosolico, sia delle proprietà
fisiche e chimiche degli aerosol. Quindi, in accordo alla recenti direttive ed ai notevoli sforzi scientifici rivolti al miglioramento
delle tecniche di misura e dei set di dati, ed allo sviluppo di modelli più dipendenti dalle misure, il principale obiettivo di questo
Progetto è quello di realizzare un sistema integrato basato su osservazioni e modelli, allo scopo di meglio valutare nel Mediterraneo
Centrale, il trasporto degli aerosol ed il loro impatto sul bilancio energetico e quindi sul clima.
Una migliore definizione di una climatologia degli aerosol relativa al Mediterraneo centrale, rappresenta una delle principali
attività che saranno perseguite per raggiungere gli obiettivi del Progetto. A questo scopo, saranno effettuate in 3 differenti siti
italiani: Roma, Lecce e Lampedusa, misure complementari mediante campionamenti in situ e tecniche di monitoraggio remoto attive
(lidar) e passive (radiometri). Queste misure saranno supportate anche da dati ricavati da misure satellitari relative alle proprietà
degli aerosol, come quelli forniti da MODIS e saranno utilizzate per ottenere nei diversi siti del Mediterraneo centrale:
A)un insieme di dati statisticamente significativo relativo alle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol, e alla loro evoluzione
spaziale e temporale. Gli aerosol saranno monitorati nei diversi siti in giorni prestabiliti, per ridurre gli effetti dovuti alla scelta di
condizioni sperimentali preferenziali e quindi, per ottenere dei dati statisticamente più significativi. In particolare, si intende
effettuare in tutti i siti, 4 misure alla settimana in due differenti giorni. Crediamo che questa scelta sia sufficiente per ottenere un set
di dati statisticamente significativo considerando le risorse umane disponibili;
B)delle relazioni tra le proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol, i diversi tipi di aerosol (soprattutto marini, desertici e
continentali) e le regioni di origine delle masse d'aria trasportate sul sito di monitoraggio. Allo scopo saranno utilizzate le
traiettorie analitiche all'indietro con relativa analisi in cluster, ed immagini satellitari come quelle fornite da MODIS.
La stima degli effetti radiativi e della forzatura degli aerosol utilizzando differenti dati sperimentali, rappresenta un'altra importante
attività che sarà perseguita nell'ambito del progetto, oltre al miglioramento della conoscenza sulla distribuzione e sulle proprietà
fisiche e chimiche degli aerosol nel Mediterraneo. Una tecnica comune per quantificare i cambiamenti nel Sistema Terra-Atmosfera,
come quelli dovuti alla presenza degli aerosol, è quella di calcolare le variazioni associate al bilancio energetico radiativo. Nelle
cosiddette simulazioni numeriche di forzatura radiativa, viene analizzata la variazione dei flussi netti radiativi ottenuta da due
simulazioni, in cui in una viene modificato soltanto il parametro di interesse. Di particolare interesse sono i cambiamenti di
forzatura radiativa che avvengono nello strato superiore dell'atmosfera (ToA) ed alla superficie (sur). La forzatura radiativa al ToA
tiene conto delgli effetti sull'intero sistema Terra-Atmosfera. Mentre la forzatura radiativa alla superficie tiene conto dell'impatto dei
processi di scambio tra atmosfera e superficie terrestre. In questo Progetto, ci concentreremo sull'effetto degli aerosol sul
Mediterraneo centrale ed i principali obiettivi che si vogliono raggiungere sono:
A)valutare nel Mediterraneo centrale e per la componente visibile ed infrarossa della radiazione, l'evoluzione mensile della
forzatura radiativa dovuta agli effetti diretti degli aerosol, al top dell'atmosfera (ToA), all'interno dell'atmosfera ed alla superficie
terrestre, sia in condizioni di cielo sereno, che in condizioni di cielo nuvoloso. Allo scopo sarà utilizzato l'insieme statistico di dati
relativo alle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol ed alla relativa evoluzione spaziale e temporale;
B)dedurre il ruolo degli aerosol di origine antropica e naturali. Allo scopo è bene ricordare che nell'ambito delle valutazioni
relative al riscaldamento della Terra causate dai gas serra antropici, bisogna considerare soltanto il contributo dovuto agli aerosol
origine antropica in condizioni realistiche di cielo nuvoloso;
C)valutare durante importanti eventi di inquinamento, come quelli dovuti alle tempeste di polvere del Sahara, l'evoluzione
giornaliera della forzatura radiativa al top dell'atmosfera (ToA), all'interno dell'atmosfera ed alla superficie terrestre per studiare
come i differenti siti del Mediterraneo sono influenzati diversamente da particolari eventi di inquinamento;
D)identificare le incertezze nei dati del forcing radiativo diretto dovuto agli aerosol attraverso il confronto di differenti modelli
caratterizzati da differenti fonti di incertezza;
E)confrontare i flussi radiativi netti calcolati dal modello al ToA ed alla superficie con le misure dei flussi radiativi netti ricavati
rispettivamente da misure satellitari ed al suolo. Questi studi di intercomparazione dovrebbero permettere un migliore
parametrizzazione delle proprietà e degli effetti dell'aerosol nei modelli di forcing radiativo.
Il trasporto di gas e particelle inquinanti su differenti scale spaziali e temporali e dal globale al locale, è anche un strumento chiave
per gli studi sull'ambiente e sul clima. In questo contesto, un importante attività del Progetto è rappresentata dalla messa a punto
nell'ambito di un pre-esistente modello, di un modulo numerico per l'evoluzione del carico aerosolico, che accoppiato al modulo per
gas reattivi (già esistente) permetta di simulare il trasporto di aerosol reali. I principali obbiettivi che si vogliono ottenere con
questa attività sono:
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,
A) ottenere delle simulazioni numeriche su aree limitate e per selezionati periodi, relative alla composizione chimica dell'atmosfera
con un trattamento realistico della dinamica della popolazione degli aerosol;
B) valutare la variabilità della concentrazione dell'aerosol con l'ausilio dell'integrazione spaziale delle misure locali;
C) progettare un sistema integrato per permettere di valutare sistematicamente in modo combinato, l' impatto sulla radiazione ed il
bilancio energetico del carico di aerosol in regioni definite.
Testo inglese
There is strong evidence that the Earth's climate is being changed. Changes in climate are the results of both internal feedback
processes in the climate system and external factors (natural and anthropogenic), whose influence is expressed by the concept of
radiative forcing. Apart clouds trace gases and solar irradiance, aerosols, both natural and anthropogenic constitute a major factor
leading to changes in radiative forcing. However, large uncertainties exist in the current estimates of aerosol forcing because of the
incomplete knowledge concerning the distribution and physical and chemical properties of aerosols. Then, in accordance to the
great deal of scientific effort that in recent years, has gone into improving measurements, datasets, and observation-based models,
the main objective of this Project is to establish an integrated observing and modeling system for the evaluation of aerosol transport
and energy balance impact on climate in the central Mediterranean region.
The aerosol climatology establishment over the central Mediterranean represents one of the main activities that will be pursued to
reach the Project's objective. To this end, complementary measurements by in situ samplings and active (lidar) and passive
(radiometers) remote sensing techniques will be performed at 3 different Italian sites: Rome, Lecce and Lampedusa. These
measurements will also be supported by satellite aerosol retrievals as those provided by MODIS and will be used to get at different
locations of the central Mediterranean basin:
A) a statistical significant data base of the optical and microphysical aerosol properties, and of their spatial and temporal evolution.
Aerosols will be monitored at the different sites on a fixed predefined schedule, to reduce effects due to the choice of preferential
experimental conditions and therefore, to get statistically significant data sets. In particular, 4 measurements per week in two
different days are planned at all sites. We believe that this choice will be sufficient to get statistically significant data sets by
considering the available man power.
B) to relate optical and microphysical aerosol properties to different aerosol types (mainly, marine, desert, and continental) and to
air mass source regions by making use of analytical backtrajectories and cluster analysis, and satellite images as those provided by
MODIS.
Besides improving the knowledge concerning the distribution and the physical and chemical properties of aerosols over the
Mediterranean, the measurement-based assessment of the aerosol radiative effects and forcing represents another important activity
that will be pursued within the project. A common way to quantify the impact of a modification in the Earth-Atmosphere-System, as
the one due to the presence of aerosols, is to calculate the associated change to the radiative energy balance. In so-called radiative
forcing simulations the change in radiative (net-) fluxes of two simulations is monitored, in which only the parameter of interest is
modified. Of particular interest are changes at the Top of the Atmosphere (ToA) and at the surface (sur). ToA forcing summarizes the
impact to the entire Earth-Atmosphere-System, and surface forcing captures the impact on atmospheric exchange processes with the
Earth's surface. Here, we focus on the impact of aerosols on the central Mediterranean and the main issues of this activity are:
A)evaluate over the central Mediterranean the monthly evolution of the visible and infrared radiative forcing at the top of the
atmosphere (ToA), within the atmosphere and at the Earth's surface, for clear-sky and all-sky conditions, by taking into account the
statistical data base of the optical and microphysical aerosol properties, and the corresponding spatial and temporal evolution
retrieved by the measurements performed within the Project.
B) infer the role of anthropogenic and natural aerosols. In the context of warming by anthropogenic greenhouse gases only the
anthropogenic aerosol fraction under realistic all-sky conditions must be considered.
C) evaluate during severe pollution events, as those due to Sahara dust outbreaks, the diurnal evolution of the radiative forcing at
the top of the atmosphere (ToA), within the atmosphere and at the Earth's surface in order to investigate how different sites of the
Mediterrenean are differently affected by special pollution events.
D) identify uncertainties in the aerosol direct forcing data through comparison of different methods with independent sources of
uncertainties.
E) compare the model-calculated net radiative fluxes at the ToA and at the surface with satellite-derived and ground-based
measurements of net radiative fluxes, respectively. These intercomparison studies should allow a better parameterization of aerosol
properties and effects in radiative forcing models.
The transport of pollution at different space and time scales, from the global to local ones is also a key process for climate and
environment studies. In this context, the implementation of a module for evolving aerosol population, coupled with the (already
active) scheme for reactive gases in order to simulate the transport of realistic aerosols, represents an important Project's activity.
The main expected results of this activity are:
A) simulations of the chemical composition of the atmosphere over limited areas with a realistic treatment of passive tracers and of
the aerosol evolution, for selected periods;
B) assessment of the variability of the aerosol concentration and integration of local experimental information;
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,
C) design of the integrated system to systematically allow combined experimental and numerical evaluation of the radiative impact
of the aerosol load and evolution in selected areas.
2.2 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale
Testo italiano
Gli effetti degli aerosol sul clima, ma anche sull'ambiente in generale e sulla salute, hanno stimolato negli ultimi anni una notevole
quantita' di ricerche sia dal punto di vista sperimentale e osservativo, che teorico-modellistico. Comunque le incertezze relative agli
effetti dell' aerosol sull' ambiente, sono tutt'ora notevoli. Allo stato attuale sono infatti disponibili una grande quantita' di dati
sperimentali sugli aerosol atmosferici provenienti da diverse fonti, e sono stati individuati i principali processi di creazione,
evoluzione e trasporto di aerosol. Sono stati inoltre studiati i principali effetti degli aerosol sul clima: l'effetto diretto legato
all'assorbimento e alla diffusione della radiazione solare da parte delle particelle e gli effetti indiretti che sono invece legati alle
alterazioni delle proprieta' delle nubi.
Lo studio dell'influenza degli aerosol sul clima passa quindi attraverso tre fasi:
1) la raccolta di informazioni sperimentali sugli aerosol (idealmente su scala planetaria) in funzione del periodo stagionale e delle
condizioni meteorologiche (''climatologia'' degli aerosol) ;
2) l'analisi dell' evoluzione e del trasporto di aerosol. I dati della fase 1 servono quindi sia a stabilire le condizioni al contorno per i
modelli atmosferici che descrivono l'evoluzione degli aerosol, sia a controllarne i risultati;
3) il calcolo dell'effetto della forzatura radiativa su diverse scale di tempo e su diverse località, date le caratteristiche degli aerosol e
delle nubi.
La situazione attuale e' che esistono poche reti di misurazione in grado di produrre dati omogenei con sufficiente continuita' per
stabilire una climatologia degli aerosol. La modellistica degli aerosol e' solo in casi sporadici confrontata con i risultati
sperimentali, e gli effetti della forzatura radiativa sono, nella maggior parte dei casi, calcolati basandosi su risultati di modelli e non
su dati sperimentali.
La situazione e' particolarmente complessa nel bacino del Mediterraneo in quanto essa e' una regione caratterizzata da un flusso
medio netto di radiazione positivo (la quantita' di radiazione solare incidente supera le emissioni nell' infrarosso) mentre risulta
negativo per le aree confinanti (Bolle, 2003). L'equilibrio radiativo del bacino del Mediterraneo e' quindi controllato da numerosi
fattori derivanti dall'influenza dell'oceano e dei continenti. Comunque, oltre all'orografia dell' area, anche gli aerosol hanno un
importante ruolo sull' equilibrio radiativo di questa area. Nell'atmosfera del Mediterraneo sono presenti diverse tipologie di
aerosol: aerosol desertico proveniente dal Sahara e dalle regioni aride della penisola Iberica; particolato antropico prodotto
principalmente nelle zone urbane ed industrializzate del Continente e dell'Europa dell'Est; aerosol marino derivante da processi che
avvengono sulla superficie del Mediterraneo o trasportato dal Nord Atlantico; prodotti derivanti da combustione di biomasse,
spesso a causa di incendi boschivi specie in estate ( e.g. Lelieveld et al., 2002). Le varie tipologie di aerosol sono caratterizzate da
differenti proprieta' ottiche e microfisiche e molto spesso da differente distribuzione verticale. Nel Mediterraneo esiste una grande
variabilita' di tali proprieta' che pertanto influenzano il bilancio radiativo in modo diverso. Per esempio e' stato mostrato che
l'efficienza del forcing radiativo (forcing per unita' di spessore ottico degli aerosol) prodotto dalle polveri desertiche nel visibile puo'
differire di un fattore 2 alla superfice e di un fattore 3 all'apice dell'atmosfera, a seconda della zona di produzione degli aerosol
(Meloni et al., 2004). Inoltre, si e osservato che nell'area del Mediterraneo gli aerosol possono dar luogo ad un forcing negativo o
positivo all'apice dell'atmosfera, in base alla loro tipologia (Meloni et al., 2004; Meloni et al., 2005; Horvath et al., 2002; Meloni
et al., 2003a).
I dati sperimentali che si possono ottenere per caratterizzare le proprieta' degli aerosol, sono essenzialmente di due tipi:
a) i parametri ottici e microfisici che possono essere ottenuti da misure remote al suolo, in quota e da satellite, ed
b) i parametri fisico-chimici ottenuti da campionamenti al suolo.
Questi due generi di misura sono complementari.
Dal punto di vista osservativo, occorre precisare che non esiste una sola tecnica di misura per determinare le proprieta' degli
aerosol necessarie alla valutazione degli effetti radiativi e dell'evoluzione. Allo scopo, va osservato che le proprieta' degli aerosol
possono essere definite sia dai parametri fisico-morfologici, come le proprieta' ottiche alle varie lunghezza d'onda d'interesse, che
spaziano dall'ultravioletto al lontano infrarosso, e la distribuzione dimensionale, sia dai parametri chimici come la composizione.
Il monitoraggio remoto delle proprieta' degli aerosol utilizza tecniche ottiche di tipo passivo, in cui si sfrutta la radiazione solare, o
attivo, in cui si utilizza una sorgente di luce controllata dallo sperimentatore, tipicamente un laser. In entrambi i casi solo le
proprieta' ottiche delle particelle potranno essere misurate direttamente. Attraverso alcune ipotesi, si riesce poi ad ottenere
informazioni sulla loro distribuzione dimensionale.
Recentemente notevoli sforzi sono stati compiuti per sviluppare tecniche di monitoraggio remoto automatiche per determinare con
continuita' le proprieta' degli aerosol. La rete internazionale AERONET-Aerosol Robotic Network coordinata dal Goddard Space
Flight Center della NASA, ne rappresenta un tipico esempio. Questa rete è costituita da più di 200 fotometri solari automatici diffusi
su tutta la Terra ed e' un' espressione degli sforzi compiuti dalla comunità scientifica mondiale, per ridurre le incertezze esitenti
nella stima del forcing radiativo dovuto agli aerosol (Holben et al., 1998; http://aeronet.gsfc.nasa.gov).
Oltre a strumenti a terra che effettuano misure continue in postazioni fisse, esistono anche diversi sensori montati su satelliti
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eliosincroni che permettono di monitorare le proprieta' degli aerosol su tutto il globo terrestre, anche durante un solo giorno (Chu
et al., 2003). Il monitoraggio remoto a lungo termine effettuato con l' ausilio dei satelliti permette di ottenere una migliore
caratterizzazione dell'evoluzione stagionale delle proprieta' degli aerosol a livello globale. Tali sensori fornendo delle immagini
globali della Terra, permettono di ricavare informazioni sia sulle inomogeneità spaziali delle sorgenti aerosoliche, sia sulle
inomogeneità temporali che risultano dalla breve permanenza in atmosfera degli aerosol.
Il notevole interesse della comunità scientifica nel raggiungere una caratterizzazione degli aerosol a livello globale, e' testimoniato
dall'ultima generazione di satelliti che trasportano strumenti come il MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) ed
il MISR (Multiangle Imaging SpecroRadiometer). MODIS, a differenza dei sensori satellitari precedenti, ha la peculiarità di fornire
valori piu' accurati dello spessore ottico aerosolico, oltre alla distribuzione dimensionale del contenuto colonnare aerosolico (e.g.
Chu et al., 2003; Ichoku et al., 2004; Levy et al., 2005; Remer et al., 2005).
La rete Europea EARLINET-ASOS (European Aerosol Research Lidar Network - Advanced Sustainable Observation System), che e'
sta realizzata con il supporto della Comunità Europea nell' ambito del VI Programma Quadro, è anche un esempio rappresentativo
dell'impegno preso dalla Comunità Europea per contribuire alla definizione della climatologia degli aerosol in Europa, mediante
operazioni a lungo termine e attività coordinate. EARLINET-ASOS è una rete di 21 stazioni lidar presenti in 11 Paesi Europei: una
rete di questo tipo permetterà, grazie alle misure lidar, di avere a disposizione un database statisticamente significativo relativo alla
distribuzione degli aerosol su scala Europea. EARLINET-ASOS è un'estensione del progetto EARLINET (Matthias et al., 2004)che
fu creato con il supporto della Comunità Europea nel V PQ. L'Unità di Lecce ha preso parte al progetto EARLINET e partecipa ora
al progetto EARLINET-ASOS. I sistemi lidar permettono di caratterizzare la distribuzione verticale degli aerosol in termini di
quantità, dimensione, proprietà ottiche e forma, attraverso rispettivamente, i coefficienti di estinzione, di retrodiffusione, del rapport
lidar e del rapporto di depolarizzazione.
Comunque e' necessario caratterizzare le proprieta' degli aerosol con la maggiore accuratezza possibile, per ridurre le incertezze
sull'impatto climatico dovute alla variabilità degli aerosol ed alla variabilita' dell'ambiente con cui essi interagiscono. Inoltre,
bisogna combinare tutti i dati disponibili alle diverse scale spaziali e temporali, per meglio utilizzare le informazioni disponibili. Le
tecniche di remote sensing al suolo attive (e.g. EARLINET)e passive (e.g AERONET) permettono di avere un'ampia statistica di dati
di buona qualità (certificata da apposite campagne di comparazione e calibrazione). Per estendere le informazioni ottenute da
misure effettuate localmente su scala globale, occorre combinare tali dati con quelli che si possono ottenere da misure di remote
sensing dallo spazio. E' anche importante combinare tutti questi dati con le caratterizzazioni (e.g. dimensione, composizione,
igroscopicità) che si possono ottenere dall'analisi di campioni raccolti in-situ. Le misure effettuate da strumenti in-situ permettono di
ricavare informazioni dettagliate sulle proprietà microfisiche e sulla composizione chimica delle particelle che non si possono
ricavare in altro modo. E' infatti importante conoscere la composizione chimica delle singole particelle, per poter capire i processi
che legano le proprietà ottiche degli aerosol alle loro emissioni.
Come e' stato gia' menzionato, lo studio dell'influenza degli aerosol sul clima necessita anche di adeguati modelli che permettano di
descrivere l' evoluzione ed il trasporto degli aerosol. Questi modelli permettono di accoppiare le equazioni che contengono la
dinamica degli aerosol, ai modelli che descrivono la circolazione atmosferica.
Lo stato dell'arte della modellistica degli aerosol e` rappresentato da alcuni moduli che descrivono la popolazione di aerosol
utilizzando un numero limitato di classi, basate sia sulla distribuzione in dimensione, che sulle caratteristiche chimiche. Questi
moduli sono il risultato del grosso impegno degli ultimi anni relativo allo studio dell'impatto degli aerosol sulla qualita` dell'aria a
livello regionale (Memmesheimer et al., 2004; Bessagnet et al., 2004; Johnson et al., 2006; Smyth et al., 2006). Tuttavia, la
modellistica dell'aerosol resta un problema scientifico aperto a causa della complessita` delle proprieta` chimico fisiche degli
aerosol. Le proprieta` della popolazione di aerosol dependono dalle sorgenti, ma anche da processi come la coagulazione, la
deposizione secca e umida, e le proprieta` chimiche come l'ossidazione da SO2, la formazione di aerosol organico secondario,
reazioni in fase eterogenea sulla superficie delle particelle, polimerizzazione. Attualmente ci sono diversi modelli di dinamica degli
aerosol che includono questi processi: M7 (Vignatti et al., 2004), MADE (Lauer et al., 2005), CAM aerosol model (Gong et al.,
2002). Tra questi, M7 considera i tipi predominanti di aerosol: solfato, sale marino, polveri, carbonio organico e non. Questo
modello e` particolarmente efficiente pur rappresentando i principali processi fisici che agiscono sulle particelle: nucleazione,
coagulazione, condensazione di gas e acqua.
Per essere funzionale, la dinamica degli aerosol deve essere inclusa in un modello meteorologico completo cosi` da poter sviluppare
un sistema integrato di oseervazioni e modellistica in cui le misure possano essere assimilate e i processi d'interazione tra
radiazione e aerosol possano essere trattati correttamente. A questo scopo, il modello BOLCHEM (D'Isidoro et al., 2005; Villani et
al., 2005) basato sulla meteorologia di BOLAM (Buzzi et al., 1994, 2003), che include una avanzata rappresentazione della
dinamica
e dei processi radiativi cosi` come dei processi umidi, rappresenta una buona base di partenza.
Il calcolo dell'effetto della forzatura radiativa su diverse scale di tempo e su diverse località, date le caratteristiche degli aerosol e
delle nubi, rappresenta l'altra importante tematica di cui bisogna tener conto per determinare l' effetto degli aerosol sul clima.
L'equazione del trasporto radiativo in atmosfera puo' essere risolta a diversi livelli di approssimazione. Uno schema molto diffuso e'
il cosiddetto "two streams" ( Meador and Weaver, 1980; Kylling et al, 1995 ). Schemi piu' sofisticati permettono di ottenere
informazioni sulla radianza angolare ( modello 6S, Vermote et al, 1997; SBDART, Ricchiazzi et al., 1998 ), e quindi sono
particolarmente adatti alla simulazione di segnali satellitari. Esistono attualmente dei pacchetti, come LibRadTran (Mayer and
Kylling, 2005), in cui l'utente puo' scegliere diversi parametri atmosferici iniziali e diversi schemi di soluzione dell'equazione del
trasporto radiativo. La sfericita' della Terra, che in alcuni casi non puo' essere trascurata, puo' essere trattata con opportune
correzioni, o puo' essere esplicitamente considerata aggiungendo pero' una notevole complicazione al modello.
In conclusione, in accordo alla strategia di PARAGON (Progressive Aerosol Retrieval and Assimilation Global Observing Network;
Diner et al., 2004a), l'ultima sfida della ricerca sui fenomeni complessi come le interazioni aerosol-clima, è quella di riuscire ad
avere un insieme di dati integrati, ottenuti sia da modelli che da osservazioni, ed acquisiti o generati mediante un campionamento
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spaziale e temporale non uniforme su scala spaziale e temporale. Quindi, e' globalmente ritenuto importante sostenere le attività di
ricerca sugli aerosol, promuovendo sia la combinazione di diverse tecniche di osservazione, per poter avere un unico set integrato
di dati, che permetta di stabilire una climatologia aerosolica, sia sostenedo lo sviluppo di adeguati modelli che permettano di
comprendere meglio le possibili tendenze dovute ai processi naturali o antropici, così come le risposte relative al riscaldamento
globale.
A tale proposito, va menzionato che l'Unità di Lecce ha coordinato nel 2004 un Progetto PRIN (prot. 2004023854) dal titolo
"Caratterizzazione delle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol mediante tecniche sperimentali e calcolo degli effetti radiativi
indotti dagli aerosol: uno strumento chiave per definire una climatologia degli aerosol". Nell'ambito di tale Progetto PRIN, sono
state fatte effettuate campagne di misura e sono stati compiuti studi relativi solo al sito di Lecce, in quanto uno degli obiettivi
principali del Progetto è stato quello di stabilire delle procedure di lavoro da utilizzare in futuro per definire una climatologia degli
aerosol su larga scala, come era stato chiaramente stabilito nell'abstract del Progetto. Alcuni dei principali risultati relativi
all'attività di ricerca ancora in corso, effettuata nell'ambito del PRIN-2004, sono stati riportati su diversi articoli (Perrone et al.,
2005; De Tomasi and Perrone, 2006; Perrone et al., 2006; Tafuro et al., 2006a; Perrone et al. 2006). In questi lavori si riportano
dei dati relativi alle proprieta' ottiche e microfisiche degli aerosol nel Sud-Est dell'Italia e se ne evidenzia la loro variabilità
verticale e stagionale.
L'Unità di Lecce intende utilizzare tutte le competenze acquisite durante il Progetto PRIN-2004, coordinando un nuovo Progetto
rivolto soprattutto alla definizione di una climatologia degli aerosol relativa al bacino centrale del Mediterraneo, per poter meglio
caratterizzare il trasporto e l'impatto radiativo degli aerosol sul clima di quest'area.
Testo inglese
The effects of aerosols on climate, environment and human health have stimulated in last years many research activities both from
an experimental and theoretical point of view. Howevere, the uncertainties on the aerosol effects on climate and environment are
still quite large. At present, a lot of experimental data about atmospheric aerosols became available from different sources, and most
of aerosol creation, evolution and transport processes have been identified. Further, the principal aerosol effects on the climate
have been identified: the direct effect due to the absorption and scattering of the solar radiation from aerosol particles and the
indirect effects due to changes induced by the aerosol in cloud properties. The origin and the evolution of the aerosols, however,
depend, besides of the sources, on condition of the atmosphere itself.
A complete study of the influence of aerosols on climate should be divided in three phases:
1)Collection of experimental information on aerosol ( ideally on a planetary scale) as a function of the season and meteorological
conditions. This is what is called the establishment of an aerosol climatology.
2)Analysis of evolution and transport of the aerosol. The data from phase 1 are then used to fix the boundary conditions
atmospheric aerosols evolution models and for the control of the results.
3)Calculation of the effect of radiative forcing on different timescales and different places, using the known characteristics of
aerosols and clouds.
At present there exist only a few measurement networks able to produce homogeneous data continuously enough to establish an
aerosol climatology. Aerosol modeling is only rarely compared with experimental results and the effects of radiative forcing are, in
most of cases, calculated relying on models than on experimental data.
The situation is particularly complicated in the Mediterranean basin because it is a region characterized by positive average net
radiation flux (the amount of incoming solar radiation exceeds the infrared emission) surrounded by areas characterized by negative
average net fluxes (Bolle, 2003). Due to the variety of the regions around the basin, different classes of particles can be found in the
Mediterranean atmosphere: desert dust, originated from the Sahara desert and from arid regions in the Iberian Peninsula; polluted
particles, produced mainly in urban and industrial areas of Continental and Eastern Europe; marine aerosol, continuously formed
over the Mediterranean itself or transported from the North Atlantic; and biomass burning particles, often produced in forest fires,
mainly during the summer. Moreover, the aerosol properties and the atmospheric chemical composition are influenced by
long-range transport (see e.g. Lelieveld et al., 2002).
Various aerosol types display different microphysical and optical properties. Optical depth, composition, size distribution, shape
(consequently single scattering albedo, phase function and asymmetry factor), and vertical distribution vary largely in the
Mediterranean, thus affecting the radiative balance in different ways. For example, it has been shown that the radiative forcing
efficiency (i.e., radiative forcing per unit aerosol optical depth) produced by desert dust in the visible spectral range may differ by a
factor of 2 at the surface, and by a factor of 3 at the top of the atmosphere (Meloni et al., 2004), depending on the aerosol source
region. Different aerosol types produce negative or positive forcings at top of the atmosphere over the Mediterranean basin
(Horvath et al., 2002; Meloni et al., 2003a). Meloni et al. (2005) have shown that the dust vertical distribution affects the
atmospheric radiative budget and the radiant flux at the top of the atmosphere. Thus, the determination of the aerosol properties and
vertical distribution is crucial to understand their influence on radiation and climate.
The experimental data that can be obtained to characterize aerosol properties fall in two classes:
a)Optical and microphysical parameters obtained by remote sensing.
b)Physical-chemical parameters obtained by local measurements.
Such kinds of measurements are complementary.
It should be stressed that there is not a single measurement technique able to determine all the aerosol properties needed for the
determination of the radiative effects and the aerosol evolution. These properties are both physical and morphological parameters,
such as the optical properties at the different wavelengths of interest (from UV to IR) and the size distribution, and chemical
parameters like the elemental composition. Remote sensing techniques are optics based, and they can be both passive, exploiting
solar radiation, and active, using an artificial light source, typically a laser. In both cases only the optical properties of the
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particles can be directly measured. Size distribution can be retrieved if some hypothesis are introduced.
The application of automatic, ground-based remote sensing techniques to investigate aerosol effects on climate has advanced
significantly in the last years. The Aerosol Robotic Network-AERONET, which is an international network coordinated by NASA
Goddard Space Flight Center that maintains more than 200 automatic sun/sky radiometers worldwide, represents one of the
scientific community efforts to reduce existing uncertainties in aerosol forcing estimates (Holben et al., 1998).In contrast to
ground-based instruments that acquire continuous measurements at fixed locations, polar-orbiting sun-synchronous satellite sensors
provide a global coverage at nearly constant local solar times, once or twice a day in tropics to mid latitude and multiple overpasses
in polar regions (Chu et al., 2003). Then, the aerosol remote sensing from long-term operation satellites provides a means to achieve
a global and seasonal characterization of aerosols. Satellite sensors provide global images of the entire Earth and allow resolving
the spatial patterns resulting from the spatial inhomogeneities of aerosol sources and the temporal patterns resulting from the short
lifetimes of aerosols. The last generation of satellites carrying instruments such as the Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer (MODIS) and the Multiangle Imaging Spectroradiometer (MISR) reveal the big interest of the scientific
community in getting worldwide aerosol characterizations. The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) unlike
previous satellite sensors has the unique ability to retrieve aerosol optical thickness with greater accuracy and to retrieve
parameters characterizing aerosol sizes (e.g. Chu et al., 2003; Ichoku et al., 2004; Levy et al., 2005; Remer et al., 2005).
EARLINET-ASOS - The European Aerosol Research Lidar Network: Advanced Sustainable Observation System created with the
support of the European Community under FP6 is also a quite representative example of the European Community efforts to
contribute to the establishment of an aerosol climatology in EUROPE by long-term-operations and coordinated activities.
EARLINET-ASOS is a network of 21 lidar sites in 11 European Countries to provide a comprehensive, quantitative, and statistically
significant data base for the aerosol distribution on a continental scale by means of lidar measurements. EARLINET-ASOS is an
extension of the EARLINET Project which was created with the support of the European Community under FP5. Lecce' Unity has
taken part to EARLINET and participates to EARLINET-ASOS. Lidar systems characterize the aerosol vertical distribution in terms
of amount, size and optical properties (extinction and backscatter coefficients, and lidar ratios), and shape (depolarization ratios).
To reduce climate impact uncertainties due the variability associated with aerosols and the interacting environment, aerosol data
with as much detail as possible are needed and for an optimum in data-support, available data at all scales need to be combined.
Quality assured local ground statistics from either active (e.g. EARLINET) or passive (e.g. AERONET) remote sensing, need to be
merged with detail characterizations (e.g. size, composition, hygroscopicity) of in-situ samples as well as with remote sensing from
space to extend local measurements to global scales. Measurements of in situ sensors allow getting detailed information about
particle microphysics and chemical composition that are unachievable through other means. Chemical composition must be known
in order to understand the processes relating aerosol optical properties and concentrations to emissions.
As it has been mentioned, models that describe the evolution and transport of aerosol are needed to study the influence of aerosols
on climate. In such models, aerosol dynamical equations are coupled to models describing atmospheric circulation.
The current status of the art about aerosol dynamics modelling is represented by some modules that describe aerosol population
using a few classes based on different size and chemical characteristics. Those modules are the result of the many efforts dedicated
in the last years to the study of the impact of aerosols on the air quality at regional scale (Memmesheimer et al., 2004; Bessagnet et
al., 2004; Johnson et al., 2006; Smyth et al., 2006). However, the aerosol modelling is still a challenging scientific problem due to
the complexity of the aerosol interactions with gases and water, due to complexity of the chemical and physical properties of
aerosols. The properties of the aerosol populations depend on aerosol sources, but also on physical processes such as coagulation,
condensation, dry and wet deposition, and chemical processes such as oxidation of SO2, formation of secondary organic aerosol
(SOA), heterogeneous chemical reaction on the surface of particles, polymerization. At present, there are various aerosol dynamic
models, which incorporate these processes as: M7 (Vignatti et al., 2004); MADE (Lauer et al., 2005); CAM aerosol model (Gong et
al., 2002). Among the above cited, M7 represents the predominant aerosol types: sulphate, sea salt, dust, black carbon and organic
carbon. This model is numerically efficient even if it represents the most important physical processes that act on the aerosol
particle:
nucleation, coagulation, condensation of gases and water uptake.
To be effective, aerosol dynamics must be included in a full meterorological model so as to develop an integrated
obsrvation/modelling approach in which measurements can be assimilated and that allows for a proper radiation/aerosol interaction
treatment. To this end, the BOLCHEM model (D'Isidoro et al., 2005; Villani et al., 2005), based on BOLAM (Buzzi et al., 1994,
2003) meteorology in which advanced representation of dynamics and radiation, as well as moist processes, are represented,
constitutes a good starting point.
The calculation of radiative forcing on different timescales and different site, once aerosol and clouds characteristics are known, is
the final step that must be done to determine the aerosol effect on climate.
The atmospheric radiative transport equation can be solved at different approximation levels. "Two streams " models are very
popular ( Meador and Weaver, 1980; Kylling et al, 1995 ). In more sophisticated schemes it is possible to obtain informations on
angular radiance (6S model, Vermote et al, 1997; SBDART, Ricchiazzi et al., 1998 ); they are particularly suited to simulation and
analysis of satellite signals. At present some packages like LibRadTran (Mayer and Kylling, 2005) are available; in such packages
the final user can choose different initial atmospheric conditions and different radiative transport solvers. Earth sphericity, that in
some cases cannot be neglected, can be treated using suitable correction or can be explicitly considered, adding however much
complexity to the problem.
In conclusion, in accordance to the Progressive Aerosol Retrieval and Assimilation Global Observing Network (PARAGON) strategy
(Diner et al. 2004a), the challenge for research into complex phenomena such as aerosol-climate interactions is to combine into an
integrated whole all data from observations and models, acquired or generated with non uniform spatial and temporal sampling,
scales, and coverage. Hence, it is worldwide considered important to support aerosol research activities favoring both the merging
multiple observational techniques to get an integrated data set, which allows the establishment of an aerosol climatology , and
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,
favoring the development of models to better understand possible trends due to natural and man-made processes, as well as
feedbacks related to global warming.
In this context, the Unity of Lecce has coordinated in 2004, a PRIN-Project (prot. 2004023854) having the title "Characterization of
the optical and microphysical aerosol properties by several experimental techniques and calculations of the aerosol induced
radiative effects: a key tool to asses aerosol climatology". Measurements and studies performed within the 2004-PRIN-Project
referred only to Lecce's site, since one of the main goals was establishing working procedures to be used in future to define a
large-scale aerosol climatology, as it was clearly stated in the Project's abstract.
The Unity of Lecce intends to use the skills acquires during the PRIN 2004 project coordinating a new Project devoted to the
establishment of the aerosol climatology over the central-east Mediterranean basin, in order to better infer the aerosol radiative
impact on the climate of this area.
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2.3 Descrizione del Programma di Ricerca e del ruolo delle Unità operative locali
Descrizione del Programma di Ricerca
Testo italiano
Il Progetto che si sta proponendo mira a contribuire alle attività scientifiche che sono state intraprese in tutto il mondo per ridurre
le incertezze relative alle attuali stime della forzatura radiativa dovuta agli aerosol e per migliorare la conoscenza degli effetti degli
aerosol sul clima. In particolare, viene proposto un progetto tra 3 Università per realizzare un sistema integrato di osservazioni e
modelli ed analizzare il trasporto degli aerosol e valutarne l'impatto sul clima nel bacino centrale del Mediterraneo. Si intende
realizzare tale progetto attraverso l'uso integrato
A)di dati ricavati da misure al suolo e da satellite e
B)di modelli numerici.
Le misure sono necessarie per definire le proprietà degli aerosol, ma è anche necessario disporre di modelli di trasporto e di
trasferimento radiativo per meglio studiare gli effetti di aerosol sul clima.
Il progetto della durata di 24 mesi è caratterizzato da attività di ricerca che saranno svolte durante tutta la durata del progetto e da
attività che saranno condotte solo durante i primi 12 mesi.
Come si è già detto, uno dei principali obiettivi del Progetto è di contribuire in modo significativo alla definizione di una
climatologia degli aerosol relativa al bacino centrale del Mediterraneo. Allo scopo, saranno effettuate in tre differenti siti italiani:
Lecce, Lampedusa e Roma, misure complementari attraverso campionamenti al suolo, ed il monitoraggio remoto attivo (lidar) e
passivo (radiometri).
Il monitoraggio degli aerosol nei tre siti sarà effettuato in accordo ad un calendario prestabilito, per ridurre gli effetti dovuti alla
scelta di condizioni particolari e quindi per avere un insieme di dati statisticamente più significativo. In particolare, le misure
regolari saranno effettuate nei tre siti due volte a settimana, in due giorni diversi, solo durante i primi 12 mesi del progetto.
Considerando le risorse umane disponibili per le misure e l'analisi dei dati, il programma di misure proposto dovrebbe garantire un
numero di misure sufficiente a definire l'evoluzione spaziale e temporale delle principali proprietà degli aerosol in ogni sito.
Va comunque menzionato che per tutta la durata progetto (24 mesi), saranno effettuate misure congiunte a Lecce, Roma e
Lampedusa, durante quei particolari eventi che interesseranno il bacino centrale del Mediterraneo, come quelli dovuti alle tempeste
di polvere Sahariana, agli incendi forestali, alle eruzioni vulcaniche ed al trasporto di masse d'aria dal Nord America.
DESCRIZIONE DELLE ANALISI e DEI DISPOSITIVI DI MONITORAGGIO AL SUOLO e DELLE MISURE E CHE SARANNO
EFFETTUATE IN DATE PREFISSATE (12 mesi) E DURANTE PARTICOLARI CAMPAGNE DI INQUINAMENTO (0-24 mesi)
E' bene far notare che solo le Unità di Lecce e Roma parteciperanno alle campagne di monitoraggio degli aerosol con strumenti al
suolo.
Per il campionamento simultaneo su filtri del particolato totale sospeso (PTS) e delle particelle con diametro <= 2.5 micron
(PM2.5) sarà utilizzato a Roma, Lecce e Lampedusa un campionatore a 2 canali (Hydra Dual Sampler by FAI-Instruments, Italy). In
accordo alle direttive europee, saranno effettuati campionamenti della durata di 24 ore e si utilizzerà il metodo gravimetrico per
determinare le concentrazioni in massa di PTS e PM2.5. Quest'ultima frazione di particolato può essere considerata rappresentativa
delle particelle relative al modo fine, che in media sono di origine antropica.
La caratterizzazione chimico-fisica del particolato raccolto sui filtri, sarà effettuata dalle Unità di Lecce e Ferrara. L'Unità di Lecce
utilizzerà un microscopio elettronico a scansione (SEM) e tecniche spettroscopiche (e.g. Prodi and Fea, 1979; Paoletti et. al., 2002)
per la caratterizzazione di selezionati campioni di PTS e PM2.5, raccolti rispettivamente a Lecce, Lampedusa e Roma. Il sistema
SEM-EDX (JSM-6480, Japan) sarà utilizzato per studiare la morfologia delle particelle e per dedurne la distribuzione dimensionale.
Saranno inoltre effettuate micro-analisi mediante uno spettrometro a raggi-X a dispersione di energia (EDS), per rivelare la
composizione elementale delle particelle campionate e fornire un'indicazione quantitativa sul contenuto percentuale dei principali
elementi presenti nel particolato raccolto. Studi recenti effettuati dall'Unità di Lecce (Perrone et al., 2006) hanno mostrato come la
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tecnica SEM-EDX sia adatta per ricavare il contenuto percentuale di elementi come C, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Fe, Ni e per
discriminare il contributo naturale da quello antropico, attraverso un'analisi statistica.
Sarà inoltre utilizzata la tecnica di spettroscopia infrarossa a trasmissione, effettuata mediante lo spettrometro FT-IR Perkin Elmer
Spectrum 2000, che opera nell'intervallo spettrale 2.5 - 30 micron, per ricavare la presenza di composti con bande di assorbimento
nell'IR (Blanco et al., 2003).
Si utilizzerà poi, uno spettrometro dimensionale (Modello: 3321-TSI) per studiare nei 3 siti, la distribuzione dimensionale (da 0.5 a
20 micron) del particolato al suolo sia in condizioni meteorologiche ordinarie, quando predomina il particolato di origine locale,
sia durante particolari eventi di inquinamento. Queste misure permetteranno di studiare nei 3 siti e in diverse condizioni, come varia
l'evoluzione temporale della distribuzione dimensionale delle particelle al suolo al variare dei parametri meteorologici, come
l'umidità relativa, e potranno fornire una migliore conoscenza delle principali proprietà degli aerosol di ogni sito.
In particolari periodi o durante speciali eventi di inquinamento, sarà inoltre utilizzato nei 3 siti, un impattore a sette stadi in cascata
(OH-610-C della Kalman System Ltd, Hungary) per il campionamento frazionato di particelle di differente diametro. L'impattore a
cascata, che opera con una portata di aspirazione di 1.5 m3/h, permette il campionamento del particolato su 7 differenti filtri,
selezionando le particelle con diametro aerodinamico (50% diametro effettivo di taglio) rispettivamente di 5.8, 2.8, 1.5, 0.72, 0.37,
0.2, 0.1 micron. Le analisi sui filtri dell'impattore, mediante il SEM-EDX e la spettroscopia infrarossa a trasmissione, forniranno
importanti risultati sulla correlazione tra la composizione delle particelle e il loro diametro aerodinamico. Particolare attenzione
sarà rivolta allo studio della composizione elementale delle particelle sub micrometriche e alla dipendenza della loro
concentrazione dalle condizioni meteorologiche e dal sito di monitoraggio.
Infine, in particolari periodi o speciali campagne di misura, sarà anche utilizzato lo spettrometro inerziale (INSPEC) sviluppato
dall'Unità di Ferrara, per raccogliere e separare su di un filtro le particelle con diametro compreso tra 0.5 e 6 micron. I filtri
dell'INSPEC sono adatti a misurare gli indici di rifrazione delle particelle raccolte, utilizzando il nefelometro sviluppato dall'Unità
di Ferrara durante il PRIN-2004. Su questi filtri saranno anche effettuate analisi SEM-EDX, per determinare la composizione
elementale delle particelle e per meglio validare i risultati ottenuti dall'analisi con il nefelometro.
Per la caratterizzazione della distribuzione verticale dgli aerosol, durante le misure ordinarie e durante particolari eventi di
inquinamento si utilizzerà un lidar a Lecce, Roma e Lampedusa.
Presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Lecce è operativo sin dal 1999 un lidar Raman. Il lidar è composto da un laser ad
eccimeri allo XeF (351 nm) e da un telescopio newtoniano di 120 cm di lunghezza focale e con uno specchio di 30 cm di diametro
(De Tomasi and Perrone, 2003). Allo stato attuale, la configurazione del lidar permette di misurare, nelle ore notturne e su un
intervallo verticale di 600 - 6000 m, i profili verticali dei coefficienti di retrodiffusione e di estinzione, del rapporto lidar, del
rapporto di mescolamento del vapore acqueo, e della depolarizzazione indotta dagli aerosol. Mentre, nelle ore diurne sono solo
possibili misure del coefficiente di retrodiffusione e di depolarizzazione, nell'intervallo 600 - 6000 m. I profili verticali di
depolarizzazione permetteranno di ottenere informazioni relative alla distribuzione verticale delle particelle non sferiche.
I sistemi Lidar presenti presso il sito urbano di Roma (Lidar for Urban Profiles of Aerosol, LUPA) e quello marino di Lampedusa
(Tropospheric Aerosol Lidar Experiment, TALE) sono stati sviluppati dall'Unità di Roma per studiare, in condizioni diurne, le
caratteristiche dell'aerosol e delle nubi in troposfera. La sorgente è costituita da un laser Nd:YAG a stato solido che emette impulsi
con una frequenza di ripetizione di 10 Hz alla lunghezza d'onda fondamentale di 1064nm ed è munito di un generatore di seconda
armonica (con emissione a 532nm, per LUPA e TALE) e di terza armonica (con emissione a 355nm, per LUPA). Il sistema di
ricezione dei due Lidar è composto di un array di telescopi e canali di rivelazione:
1) un canale a bassa sensibilità che rivela il segnale totale retrodiffuso a 532nm tra 60 m e 2 km;
2) 2 canali per la rivelazione del segnale totale e con polarizzazione parallela rispetto a quella del fascio laser a 532 m tra 1.5 e 12
km;
3) il sistema LUPA è dotato di canali opzionali per la rivelazione del segnale retrodiffuso a 1064 e 355nm.
L'operatività dei 2 Lidar in condizioni diurne è possibile grazie all'utilizzo di filtri interferenziali a banda stretta con una risoluzione
verticale fino a 15m.
Nei tre siti oltre al lidar, verranno anche utilizzati dei sistemi di monitoraggio remoto passivo per ottenere una migliore
caratterizzazione delle proprietà ottiche e microfisiche degli aerosol a supporto delle misure lidar.
Presso l'Unità di Lecce sarà utilizzato un fotometro solare automatico (Cimel-CE-318) che è situato vicino al sistema lidar ed opera
all'interno della rete AERONET (e.g. Holben et al., 1998; Perrone et al., 2005): una rete di monitoraggio degli aerosol al suolo
coordinata dalla NASA. Questo strumento effettua misure di irradianza solare diretta e diffusa a 8 diverse lunghezze d'onda: 340,
380, 440, 500, 670, 870, 936, e 1020 nm e fornisce parametri aerosolici a differenti lunghezze d'onda, integrabili con i dati da
satellite e con quelli lidar.
A Roma e Lampedusa sarà utilizzato un fotometro solare a 7 bande che rivela la radiazione totale e diffusa, utilizzando una banda
rotante per l'occultamento del sensore (MFR-7). In particolare, tale fotometro è dotato di un rivelatore ad ampia banda per misure
di irradianza solare totale, e 6 rivelatori centrati alle lunghezze d'onda di circa 415, 500, 630, 670, 870, 940 nm con una banda
passante di 10nm ognuna. Esso fornisce misure in modo automatico e continuo e lo spessore ottico degli aerosol si ottiene nelle ore
diurne in condizioni di cielo sereno.
A Roma e Lampedusa sarà anche utilizzato uno spettrofotometro Brewer che è stato concepito per misurare l'ozono atmosferico
sulla base dell'assorbimento della radiazione nella regione spettrale 306-320 nm. Il Brewer installato a Roma è di tipo MkIV, e
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misura anche il contenuto colonnare di NO2 nell'intervallo spettrale 431-453nm. Mentre, il Brewer operativo a Lampedusa è del
tipo MkIII, e utilizza un doppio monocromatore che consente di effettuare misure accurate di irradianza UV. Recentemente è stata
messa a punto una metodologia per la determinazione dello spessore ottico dell'aerosol nella regione spettrale UV che utilizza i dati
Brewer di radianza con puntamento diretto del sole.
A Roma, Lecce e Lampedusa saranno anche monitorati al suolo e per tutta la durata del Progetto i principali parametri
meteorologici.
Oltre a sistemi per il monitoraggio degli aerosol e di alcuni gas atmosferici, nei siti di Lecce, Lampedusa e Roma saranno anche
utilizzati un piranometro ed un pirgeometro per misurare l'irradianza a larga banda rispettivamente ad onda corta ed onda lunga. In
particolare sarà utilizzato un piranometro Eppley Precision Spectral Pyranometer (PSP) e un pirgeometro Eppley Precision
Infrared Pyranometer (PIR). Il PSP è un radiometro di classe 1 secondo le categorie WMO e fornisce una risposta spettrale
uniforme nella regione 0.28-2.8 micron. Il PIR viene utilizzato per misure di radiazione IR a larga banda tra 4 e 50 micron. Queste
misure permetteranno di comparare i flussi radiativi nel visibile e nell'IR a terra con quelli forniti dai modelli e quindi di ridurre i
gradi di liberta' dei modelli di forcing radiativi dando indicazione sul migliore di essi.
PRINCIPALI RISULTATI ATTESI
Alcuni risultati relativi agli strumenti e tecniche di analisi sopra descritte sono stati già menzionati. Comunque, tutti i dati ricavati
nei diversi siti serviranno per ottenere un insieme integrato di dati e contribuire alla definizione di una climatologia degli aerosol
rivolta in particolar modo al Mediterraneo Centrale. Una lista più dettagliata relativa ai risultati ottenuti dal monitoraggio degli
aerosol sara' riportata nella sezione relativa all'Unità di Lecce.
DESCRIZIONE dei DATI RICAVATI da MISURE da SATELLITE (0-24 mesi)
Le attività relative all'utilizzazione di dati ricavati da misure satellitari saranno condotte dalle Unità di Lecce e Ferrara durante
tutta la durata del progetto. L'Unità di Lecce utilizzerà i dati satellitari essenzialmente per caratterizzare il carico aerosolico
quando le misure al suolo non sono disponibili o sufficienti e per ricavare i valori di albedo superficiale utilizzati nei modelli di
forzatura radiativa. Mentre Ferrara utilizzerà i dati satellitari per caratterizzare la copertura nuvolosa e per ricavare alcune
proprietà delle nuvole.
L'Unità di Lecce utilizzerà i dati aerosolici di MODIS (MOD04_L2 Scientific Data Set: Optical_Depth_Average_Ocean files), che
possono essere trovati nel sito internet http://modis.atmos.gsfc.nasa.gov/, per ricavare le principali proprietà degli aerosol relative a
differenti siti del Mediterraneo. L'algoritmo di MODIS "ocean" (Tanré et al., 1997), oltre agli spessori ottici aerosolici, fornisce
anche i dati relativi alla distribuzione dimensionale degli aerosol ed alla frazione di spessore ottico dovuta agli aerosol del modo
che caratterizza le particelle con diametro inferiore a 0.5 micron la cui origine è prevalentemente antropica. I dati MODIS saranno
anche utilizzati nei modelli di trasporto, principalmente per caratterizzare le sorgenti di inquinamento relative agli eventi analizzati.
Va notato che i dati MODIS saranno anche utilizzati per definire i valori di albedo superficiale (MOD43B3) richiesti per i singoli
siti, nei modelli di forzatura radiativa.
La realizzazione di mappe di copertura nuvolosa da utilizzare nei modelli di forzatura radiativa utilizzati dall'Unità di Roma, oltre
che nella diagnostica del modello di trasporto, rappresenta un' importante attività dell'Unità di Ferrara.
I dati relativi alle proprietà delle nubi verranno estratti dai dati da satellite, sfruttando anche database esistenti (come l'ISCCP). Le
risorse satellitari per la determinazione e classificazione delle aree nuvolose includono il sensore Spinning Enhanced Visible
InfraRed Imager (SEVIRI) orbitante sulla piattaforma geostazionaria Europea METEOSAT ed il MODerate resolution Imager
Spetroradiometer (MODIS) disponibile sulle due piattaforme a bassa orbita TERRA ed AQUA della NASA.
I dati SEVIRI, disponibili dal febbraio 2004 ogni 15 minuti, vengono raccolti in 12 bande spettrali da 0.56 a 14.4 micron, con una
risoluzione spaziale di circa 3.5 x 4.5 km nel Mediterraneo centrale. MODIS misura radianze in 36 canali, da un'orbita quasi polare
circolare eliosincrona a circa 705 km dalla superficie terrestre. Il satellite TERRA è su un'orbita discendente ed attraversa
l'equatore alle 10:30 LT mentre AQUA è su orbita ascendente ed attraversa l'equatore alle 13:30 LT, fornendo la copertura globale
al massimo in 2 giorni. I canali sono distribuiti tra 0.4 e 14 micrometri a risoluzione spaziale al nadir variabile da 250 m (2 canali),
500 m (5 canali) e 1000 m (29 canali). Tutti i prodotti di nube disponibili sono su griglia spaziale di 1 o 5 km.
Gli algoritmi per estrarre dal SEVIRI i parametri di nube dalle radianze nel visibile-vicino infrarosso-infrarosso sono già stati
sviluppati dall'Unità di Ferrara e saranno usati per processare eventi di interesse per il progetto. Un algoritmo di "cloud mask" sarà
anche sviluppato per aree del Mediterraneo centrale dove siano disponibili altri dati durante il progetto. Saranno anche considerati
i prodotti del MODIS che forniscono stime dei parametri di nube a maggior risoluzione spaziale.
I principali risultati attesi durante i primi 12 mesi del Progetto, relativi a questa attività dell'Unità di Ferrara, sono:
1)lo sviluppo e la validazione di un algoritmo di "cloud mask" per il Mediterraneo centrale basato su dati SEVIRI;
2) la validazione dell'algoritmo rispetto a misure al suolo e a prodotti da altri sensori satellitari (MODIS);
Nella secondo anno del Progetto l'attività riguarderà principalmente:
1) l'applicazione dell'algoritmo di "cloud mask" a casi di studio rilevanti per il progetto, come quelli relativi al trasporto di polvere
sahariana;
2) l'estrazione di proprietà microfisiche di nube per i casi di studio.
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DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI NUMERICI PER STUDIARE IL TRASPORTO DEGLI AEROSOL (24 mesi)
L'attività relativa allo sviluppo di un modello per il trasporto degli aerosol sarà condotta dall'Unità di Ferrara e sarà
essenzialmente rivolta a realizzare simulazioni numeriche del carico di aerosol nella regione del Mediterraneo Centrale. Allo scopo
sarà utilizzato il modello BOLCHEM e saranno sviluppati nuovi moduli.
Il modello BOLCHEM è costituito da diversi moduli.
1) Meteorologia
Il motore meteorologico è il modello BOLAM (Buzzi et al., 1994, 2003) che è un modello ad area limitata, idrostatico, alle equazioni
primitive, con variabili indipendenti u, v, theta, q, P_s. La coordinata verticale segue il terreno ed ha una maggior risoluzione
presso il suolo e nell'alta troposfera. Utilizza coordinate geografiche, con una griglia tipo Arakawa C. Le condizioni iniziali ed al
contorno sono fornite attraverso le rianalisi dell'ECMWF (con risoluzione di 0.5x0.5 gradi). Anche la copertura nevosa, la
temperatura superficiale del mare e del suolo, l'umidità del suolo sono ricavate dalle analisi ECMWF. L'orografia è interpolata a
partire dal GLOBE Digital Elevation Model, con risoluzione di 1 km. Il modello implementa uno schema WAF per l'avvezione
tridimensionale (Billet e Toro, 1997). Lo schema temporale è esplicito, 'forward-backward' per i modi gravitazionali. Il ciclo
dell'acqua per le precipitazioni è descritto mediante cinque variabili prognostiche, similmente a quello di Schultz (1995). La
convezione profonda è parametrizzata secondo Kain e Fritsch (1990). Lo strato limite è parametrizzato utilizzando il concetto di
lunghezza di mescolamento, con coefficienti di scambio funzione del numero di Richardson. Il suolo è modellato con uno schema a
tre livelli. La radiazione e' calcolata utilizzando lo schema di Ritter e Geleyn (1992) e di Morcrette (1991, 2001).
2) Trasporto
L'equazione di avvezione-dispersione è integrata 'run-time' per traccianti conservati e reattivi (D'Isidoro et al., 2005a, e Tiesi et al.,
2006). Le traiettorie Lagrangiane sono calcolate in modo deterministico (Maurizi et al., 2004). Poichè il modello è idrostatico, i
moti verticali sono stimati dalla derivata nel tempo della coordinata verticale sigma.
Le particelle sono ipotizzate inerti e viene trascurata la gravità (l'effetto della velocità di sedimentazione è trascurabile per queste
particelle e per questi tempi di integrazione).
3) Chimica
Il modello attuale esegue le simulazioni con il meccanismo chimico per la fase gassosa SAPRC-90 (131 reazioni, 35 specie)e con
CB-IV (85 reazioni, 30 specie). Alcuni test effettuati hanno permesso di valutare preliminarmente il modello. Con un primo test
sull'Europa si sono simulati 5 giorni dell'onda di calore del 1999 (Villani et al., 2005). Il secondo test (D'Isidoro et al., 2005b) è
stato condotto sull'Italia ed ha simulato un caso di ozono ancora del luglio 1999, caratterizzato da un intenso inquinamento
fotochimico sulla valle padana.
DESCRIZIONE DELLA ATTIVITA' DI MODELLISTICA
L'attività di modellistica da svolgere implica la realizzazione di:
1) simulazioni del trasporto di aerosol non reattivi, secondo diversi approcci alla descrizione del flusso, sia per il confronto con le
misure regolari (2 per settimana) effettuate a Lecce, Lampedusa e Roma, sia per lo studio di eventi particolari individuati durante lo
svolgimento delle attività. L'interesse principale riguarda il trasporto di polvere sahariana verso la regione mediterranea
settentrionale. Questa azione si basa sulla disponibilità di vari schemi di trasporto all'interno di BOLCHEM. I dati relativi alle
sorgenti saranno ricavati da modelli di letteratura. L'uso di dati MODIS di carico aerosolico sul mare, che saranno forniti
dall'Università di Lecce, potrà fornire ulteriori informazioni sui primi stadi di trasporto e quindi fornire una verifica della qualità
del modello e del tipo di sorgente adottato.
2) l'implementazione di un modulo per la simulazione della evoluzione della popolazione di aerosol, accoppiato con l'attuale
modulo chimico per gas reattivi. Questa attività costituisce il nucleo fondamentale del lavoro di questa unità di ricerca.
2)le simulazioni di casi reali di trasporto di aerosol ed integrazione misure/simulazioni. L'implementazione delle prime due attività
di ricerca costituisce la base necessaria per effettuare simulazioni e confronti con le osservazioni procurate dalle altre unità di
ricerca, in una prima fase, e poi eventualmente con altre reti di misure al suolo. Il lavoro verrà arricchito da confronti con il
contenuto colonnare di ozono e di biossido di azoto, forniti dall'Unità di Roma contemporaneamente al carico aerosolico, grazie al
tipo di strumentazione usata nel progetto. Questo confronto costituirà il passo necessario verso l'utilizzo di tecniche di assimilazione
(che il gruppo sta sviluppando nell'ambito di altri progetti) per pilotare la simulazione verso risultati sempre più realistici.
Contemporaneamente, le simulazioni modellistiche permetteranno una accurata valutazione della rappresentatività spaziale delle
misure puntuali.
RISULTATI ATTESI
I principali risultati attesi sono:
1) un modello numerico ad area limitata per la simulazione della composizione dell'atmosfera con un trattamento realistico della
dinamica della popolazione degli aerosol;
2) la valutazione della variabilità della concentrazione dell'aerosol e l'integrazione spaziale delle misure locali;
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3) la progettazione di un sistema integrato per permettere di valutare sistematicamente in modo combinato l'impatto sulla radiazione
ed il bilancio energetico del carico di aerosol in regioni definite.
DESCRIZIONE DEI MODELLI RELATIVA RELATIVI ALLA FORZATURA RADIATIVA DEGLI AEROSOL (24 mesi)
Questa attività sarà condotta dall'Unità di Roma per tutta la durata del Progetto. Comunque, le Unità di Lecce e Ferrara
contribuiranno fornendo i dati aerosolici e delle nubi richiesti nei diversi modelli di forzatura radiativa.
Verranno utilizzati approcci diversificati per quantificare su diverse scale temporali (stagionali, mensili, giornaliere, istantanee) gli
effetti radiativi diretti (forcing), cioè la differenza tra i flussi radiativi in presenza ed in assenza di aerosol. A causa di limitazioni nei
tempi di calcolo, la determinazione dei forcing medi stagionali e mensili non può essere effettuata con lo stesso grado di dettaglio
richiesto per la stima dei forcing istantanei. Verranno quindi utilizzati diversi modelli di trasferimento della radiazione
("two-stream", 6S, MODTRAN, e UVSPEC modificato).
Il modello "two-stream" sarà indirizzato alla stima dei forcing medi stagionali e mensili. Il modello attualmente in uso permette di
stimare l'evoluzione mensile del forcing solare (banda 0.35-4 micron) ed IR (banda 4-80 micron) degli aerosol alla sommità
dell'atmosfera, nell'atmosfera, ed alla superficie, sia per cielo sereno che con nubi. Il modello sviluppato per il calcolo di forcing
medi mensili, non permette il calcolo di forcing giornalieri e istantanei.
Nell'ambito del Progetto sarà anche utilizzato il modello 6S messo a punto durante il PRIN-2004 coordinato dall'Università di
Lecce. In questo progetto il modello 6S sarà utilizzato per stimare flussi e radianze alla sommità dell'atmosfera, e per confrontare i
risultati con le osservazioni da satellite. Il modello 6S permette una rappresentazione sufficientemente dettagliata sia delle proprietà
degli aerosol, che della riflettanza superficiale. Le maggiori limitazioni del modello risiedono nella ridotta risoluzione spettrale (2.5
nm) e nella bassa accuratezza nelle regioni spettrali caratterizzate da forte assorbimento; il modello, inoltre, funziona per una
atmosfera piano-parallela, e non è in grado di rappresentare la geometria sferica (operazione necessaria a grandi angoli zenitali
solari).
Il calcolo del forcing istantaneo e giornaliero sarà effettuato utilizzando sia il MODTRAN, versione 4.0, sia una versione migliorata
del modello UVSPEC che possono utilizzare differenti schemi di trasferimento della radiazione. Per le analisi previste dal Progetto,
si utilizzerà il metodo delle ordinate discrete per un'atmosfera piano-parallela. A grandi angoli zenitali solari si utilizzerà
l'approssimazione pseudo-sferica. Il MODTRAN sarà utilizzato per la stima dei forcing a larga banda sia nella regione solare che
infrarossa; i calcoli verranno effettuati ad elevata risoluzione spettrale (1 cm-1). Il modello UVSPEC è stato recentemente
migliorato per ottenere una descrizione dettagliata delle proprietà degli aerosol e della struttura verticale dell'atmosfera. Questa
versione del modello è stata sviluppata ed utilizzata presso l'ENEA e l'Università di Roma. Il modello sarà utilizzato per simulare i
flussi radiativi ad alta risoluzione spettrale nelle regioni ultravioletta, visibile, e vicino infrarosso.
Le proprietà degli aerosol necessarie alla inizializzazione dei modelli saranno derivate dalla combinazione di diverse tecniche di
misura. Le osservazioni sperimentali forniranno anche informazioni su vari componenti atmosferici (nubi, vapor d'acqua, ozono,
biossido di azoto) in grado di influenzare il bilancio della radiazione. Le osservazioni di flussi radiativi alla superficie e di radianze
da satellite serviranno anche per la verifica dei modelli.
Va notato che saranno utilizzati:i dati MODIS e SEVIRI forniti dall'Università di Ferrara per rappresentare la copertura nuvolosa
nei modelli di forzatura radiativa; i dati MODIS forniti dall'Unità di Lecce per caratterizzare l'albedo superficiale delle aree e dei
siti del Mediterraneo Centrale per i quali sarà calcolato il forcing radiativo.
Il modello "two-stream" utilizzerà la climatologia derivata dalle osservazioni regolari effettuate durante il primo anno del progetto.
Gli altri modelli verranno utilizzati per stimare nel Mediterraneo centrale, il forcing su scala oraria e giornaliera per condizioni di
aerosol di fondo, e per eventi specifici ai tre siti di misura. Si dedicherà particolare attenzione al trasporto di polvere Sahariana, ad
episodi di forte inquinamento, e ai casi di aerosol prodotto in combustione di biomasse. In questi casi le proprietà e l'evoluzione
degli aerosol verranno rappresentate nei modelli nel modo più accurato possibile. L'identificazione ed interpretazione di questi
eventi sarà supportata dalle analisi con il modello ad area limitata effettuate dalla Unità dell'Università di Ferrara.
L'uso di diversi modelli permetterà inoltre, per specifici casi, il confronto tra diversi schemi di descrizione dei processi di
trasferimento della radiazione in atmosfera.
RISULTATI ATTESI
Durante i primi 12 mesi del Progetto, i risultati si riferiranno principalmente a stime del flusso radiativo al top dell'atmosfera e alla
superficie per casi specifici presi in esame.
Le attività del secondo anno permetteranno di avere dati relativi:
1) all'utilizzazione dei modelli di trasferimento radiativo per il calcolo degli effetti radiativi medi mensili e giornalieri indotti dai
diversi tipi di aerosol;
2) al confronto tra i diversi modelli utilizzati per la simulazione del forcing radiativo;
4) allo studio del forcing radiativo nei diversi siti durante i particolari eventi presi in esame.
Testo inglese
The proposed project intends to contribute to the large scientific effort that has worldwide started to reduce uncertainties on current
estimations of the aerosol radiative forcing and improve the understanding of aerosol effects on climate. In particular, we have
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proposed a joint project of three Universities to realize an integrated observing and modeling system for the evaluation of the
aerosol transport and the aerosol energy impact on climate in the central Mediterranean basin. We will realize this project by the
integrated use of:
C)experimental data from ground and satellite based measurements and
D)numerical models.
Measurements are necessary to define aerosol properties but, it is also necessary to get suitable transport and radiative transfer
models to better study aerosol effects on the climate.
The project of 24 months duration is characterized by research activities that will be performed during all projects duration and by
activities that will mainly be performed during the first 12 months.
As it has been mentioned, one of the main Project's objectives is to provide a significant contribution to the aerosol climatology
establishment over the central Mediterranean. To this end, complementary measurements by in situ samplings and active (lidar) and
passive (radiometers) remote sensing techniques will be performed at 3 different Italian sites: Rome, Lecce, and Lampedusa.
Aerosols will be monitored at the different sites on a fixed predefined schedule during the first 12 months, to reduce effects due to the
choice of preferential experimental conditions and therefore, to get statistically significant data sets. In particular, 4 measurements
per week in two different days are planned at all sites. We believe that this choice will be sufficient to get statistically significant data
sets by considering the available man power.
However, joint campaigns with lidar, radiometer and ground sampling measurements will be made at Lecce, Rome and Lampedusa,
during all Project duration (24 months), when the central Mediterranean will be affected by special pollution events as those due to
Sahara dust outbreaks, forest fires, volcano eruptions, and to the transport through the Atlantic Sea of polluted air masses from
North America. Aerosol monitoring activities will be coordinated by Lecce's Unity.
DESCRIPTION OF GROUND-BASED MONITORING DEVICES AND MEASUREMENTS THAT WILL BE PERFORMED ON
REGULAR SCHEDULE (0-12 months) AND DURING SPECIAL POLLUTION CAMPAIGNS (0-24 months) AND SAMPLE
ANALYSES
It is worth noting that Lecce's Unity and Rome's Unity will be both involved on ground-based aerosol measurements.
Two-channel particulate samplers (Hydra Dual Sampler by FAI-Instruments, Italy), which allow the sampling on filters of the
ground particulate matter (PM), will be used at Lecce, Rome and Lampedusa, for the simultaneous monitoring of PTS (total
suspended particulate matter) and PM2.5 (particles with the diameter <= 2.5 micron). In accordance to national and European
rules, each sampling will last 24 hours and the gravimetric method will be used to determine PTS and PM2.5 mass concentrations.
The PM2.5 can be considered representative of the fine mode particles that on average are of anthropogenic origin.
The chemical-physical characterization of the particulate matter collected on filters will be made by Lecce and Ferrara. Lecce's
Unity will make use of scanning electron microscopy (SEM) and spectroscopy techniques (e.g. Prodi and Fea, 1979; Paoletti et al.,
2002) to characterize selected PTS and PM2.5 samples collected at Lecce, Lampedusa and Rome. A SEM-EDX system (JSM-6480,
Japan) will be used to detect particle morphology, infer size distributions, and PM elemental composition. In particular,
micro-analyses will be performed by X-rays energy dispersion spectroscopy (EDS), to detect the elemental composition of selected
filter areas and provide a quantitative indication on the percentage content of main elements. Recent studies performed by Lecce's
Unity (Perrone et al., 2006) have revealed that the SEM-EDX technique is rather suitable to infer the percentage content of elements
such as C, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Fe, Ni and to discriminate by statistical analysis the natural and anthropogenic contribution
of each element.
A FT-IR Perkin Elmer Spectrum 2000 spectrometer, operating in the spectral interval 2.5-30 micron, will also be used by Lecce's
Unity to infer in the sampled aerosols the presence of compounds with typical IR absorption bands, by mean of the infrared
transmission spectroscopy technique (Blanco et al., 2003).
An aerodynamic particle size spectrometer (Model. 3321-TSI) will also be used to study at the 3 selected monitoring sites, the size
distribution (0.5 to 20 micron) of the ground particulate matter during specific pollution events and under ordinary meteorological
conditions, when background particles dominate. These measurements will also allow studying at the 3 sites and under different
environmental conditions, how the time evolution of the particle size distribution vary with the time evolution of meteorological
parameters such as relative humidity, and can provide a better knowledge of the main aerosol properties of each site.
A seven stage cascade impactor with backup filter for the fractional sampling of aerosol particles (OH-610-C by Kalman System Ltd,
Hungary) will also be used at the 3 sites during selected periods or special pollution campaigns. The cascade impactor operating at
a flow rate of 1.5 m3/h, allows the sampling on 7 different filters of particles with the aerodynamic diameter (50% effective cut
diameter) of 5.8, 2.8, 1.5, 0.72, 0.37, 0.2, 0.1 micron, respectively. SEM-EDX and infrared transmission spectroscopy analyses on
the impactor filters will provide important results on the correlation between particle's composition and particle's aerodynamic
diameter. Particular attention will be devoted to the detection and elemental composition of submicron particles and to their
dependence on environmental conditions and monitoring site.
Finally, during selected periods o special pollution campaigns the inertial spectrometer INSPEC developed by the Ferrara's Unity
will be used to collect and separate on one filter particles of different diameter within the 0.5-6 micrometer. The INSPEC filters are
suitable to determine the refractive index of the sampled particles by mean of the nephelometer developed by the Ferrara's Unity
during the 2004 PRIN. SEM-EDX analyses will also be performed on these filters to determine the elemental composition of the
particles and support the results derived by the nephelometer analysis.
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A lidar system will be used at Lampedusa, Lecce, and Rome to characterize the aerosol vertical distribution during regular
measurements and special pollution campaigns.
An elastic-Raman lidar, operative since 1999 at the Department of Physics of the Lecce University, will be used for the
characterization of the vertical distribution of the aerosol content at Lecce. The lidar station is composed by a XeF excimer laser
(351 nm), a 30 cm mirror and a 120 cm focal length Newtonian telescope (De Tomasi and Perrone, 2003). The lidar configuration
allows at present to measure, during the night time and over a vertical range of 600-6000 meters, the vertical profiles of: the aerosol
backscattering and extinction coefficient, the lidar ratio, the water vapor mixing ratio, and the aerosol induced depolarization.
Polarization resolved backscattered coefficient measurements in the range 600-6000 meters are possible during daytime. The
depolarization vertical profiles will permit to obtain useful information about the vertical distribution of non spherical particles.
The Lidar systems installed at the urban site of Rome( Lidar for Urban Profiles of Aerosol, LUPA) and at the maritime site of
Lampedusa (Tropospheric Aerosol Lidar Experiment, TALE) have both been developed by Rome's Unity to study, in daily conditions,
aerosols and clouds properties in troposphere. The source is a Nd:YAG solid state laser which emits pulses at 10Hz repetition rate at
a fundamental wavelength of 1064 nm, and is equipped with second harmonic generators (emission at 532 nm), and the third
harmonic generator in the LUPA system (emission at 355 nm). The receiver consists of an array of telescopes and detector channels:
1) a low-sensitivity channel for the detection of the 532-nm total echo from the short range (60-2000 m);
2) two channels for the detection of 532-nm total and parallel polarised signals from the medium range (1500-12000 m).
In addition, the LUPA system is also equipped with optional channels for the signal detection at 1064 nm and 355 nm, respectively;
The use of narrow-band filters in the detector system and the analog-type acquisition of the signal permit the lidar operations also in
full daylight conditions.
Besides lidars, ground based passive remote sensing devices will be used a the 3 monitoring sites to support lidar retrievals with
complementary measurement techniques and obtain a better characterization of the optical and microphysical aerosol properties
and of some atmospheric gases.
An automated sun photometer (Cimel-CE-318) operating within the Aerosol Robotic Network-AERONET (e.g. Holben et al., 1998;
Perrone et al., 2005), an optical ground-based aerosol monitoring network coordinated by NASA, will be used at Lecce. This
instrument that is close to the lidar system, performs direct and diffuse solar irradiance measurements at 8 different wavelengths:
340, 380, 440, 500, 678, 870, 936, and 1020 nm and besides columnar size distributions, provides data at different wavelengths, such
as aerosol optical depths, refractive indices, and single scattering albedos that can be integrated with satellite and lidar data.
A Multifilter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR) that is a seven-band sun photometer that detects the global and diffuse
solar radiation, using an automated rotating shadow band will be used at Rome and Lampedusa. In particular, the installed
instrument is a MFR-7 with a broad-band channel for total shortwave radiation and six channels centred at 415, 500, 630, 670, 870,
940 nm, with a band-pass of 10 nm. The radiometer provides automatic and continuous measurements and aerosol optical depths
can be retrieved in daytime under clear-sky conditions.
A Brewer spectrophotometer that makes automatic and continuous measurements of direct solar UV radiances and global spectral
UV irradiance will also be used at Rome and Lampedusa. Direct radiances are used to derive total ozone, determined from the
absorption in the 306-320 nm spectral interval. The Brewer at Rome is a MkIV type, and performs also total nitrogen dioxide
measurements in the region 431-453 nm. The Brewer at Lampedusa is a MkIII double monochromator spectrophotometer that allows
more accurate measurements of the UV irradiance. Spectral UV irradiance measurements are performed in the interval 290-325nm,
for type MkIV at Rome, and in the interval 286-363nm, for type MkIII at Lampedusa. A modified Langley plot method has been
implemented to retrieve the aerosol optical depth in the UV spectral range from Brewer direct sun measurements.
Ground meteorological sensors will be continuously used during all project duration at Rome, Lampedusa and Lecce, to monitor
main meteorological parameters.
Besides aerosol and gases monitoring devices, pyranometers and pyrgeometers will also be used at Rome, Lampedusa and Lecce to
measure the broadband shortwave and longwave irradiance, respectively. In particolar an Eppley Precision Spectral Pyranometer
(PSP), and an Eppley Precision Infrared Pyranometer (PIR) will be used. The PSP is a WMO class one radiometer and it is
characterized by a uniform spectral response throughout the region 0.28-2.8 micron. The Eppley Precision Infrared Pyranometer
(PIR) is used for the measurement of the broadband infrared radiation. The PIR is sensitive to radiation between 4 and 50 micron.
These measurement will be performed in order to compare measured radiative fluxes at the Earth's surface in the visible and IR
ranges with the modeled ones retrieved by the numerical models used by Rome's Unity to study the aerosol radiative forcing at
differente sites. The availability of pyranometers and pyrgeometers data will allow reducing the number of degrees of freedom of
models highlighting the most accurate.
MAIN EXPECTED RESULTS
Some applications of the described measurements and analyses have been above mentioned. However, all aerosol observations made
at the different monitoring sites by multiple techniques and corresponding retrievals should allow getting an integrated data set and
contribute to the establishment of the aerosol climatology with special focus over the central Mediterranean. A more detailed list of
the main outputs of the aerosol monitoring activities is reported in the section regarding the role of Lecce's Unity.
DESCRIPTION OF SATELLITE RETRIEVALS (24 months)
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The activities regarding the retrievals of data from satellite measurements to better fulfill the Project's objectives, will be performed
by Lecce's and Ferrara's Unity during all the Project duration (0-24 months). In particular, Lecce's Unity will make use of satellite
retrievals mainly to characterize the aerosol load when local measurements are not available and/or not sufficient and to retrieve
surface albedo values for the aerosol radiative forcing calculations. While, Ferrara's Unity will use satellite retrievals for the
extraction of cloud cover and some cloud properties data.
MODIS aerosol data (MOD04_L2 Scientific Data Set: Optical_Depth_Average_Ocean files), which can be found at the web site
http//:modis-atmos.gsfc.nasa.gov/, will be used by the Lecce's Unity to retrieve the main aerosol properties at different
Mediterranean sites. The MODIS ocean-algorithm (Tanre' et al., 1997) besides aerosol optical depths provides data on the size
particle distribution and the optical depth fraction contributed by the fine mode aerosols that are mostly of anthropogenic origin.
MODIS retrievals will also be used in the aerosol transport simulations mainly to characterize the aerosol load of the pollution
sources of the investigated pollution events. MODIS retrievals will also be used to get the surface single scattering albedo data
(MOD43B3) required in radiative forcing models to characterize the ground surface reflectivities.
An important task of Ferrara's Unit will be to provide cloud cover and cloud classification maps, at the proper spatial and temporal
resolution, to be ingested in the radiative transfer models used by Rome's Unity to evaluate the aerosol radiative forcing over
different sites of the central Mediterranean basin. Moreover, the derived cloud products will be compared with the ones provided by
the aerosol transport model runs (BOLCHEM), to better evaluate transport model outputs.
Available satellite resources for cloud detection and analysis include the Spinning Enhanced Visible InfraRed Imager, SEVIRI on
board the European operational geostationary satellite METEOSAT Second Generation and the MODerate resolution Imaging
Spetroradiometer (MODIS) flying on low orbit satellites TERRA and AQUA.
SEVIRI data, available since February 2004 every 15 minutes, are collected in 12 spectral bands from 0.56 to 14.5 micrometer, with
a spatial resolution of about 3.5 x 4.5 km in central Mediterranean areas. The MODIS sensor measures radiance in 36 channels
from a near-polar circular sun-synchronous orbit at about 705 km from the earth surface. MODIS scans a swath width sufficient for
providing global coverage every two days. Terra is on a descending orbit with an equatorial crossing at 10:30 local solar time and
Aqua is in an ascending orbit with a 13:30 local crossing time. The channels are distributed between 0.4 and 14 micrometer in four
focal plane assemblies, with nadir spatial resolutions of 250 m (for 2 bands), 500 m (5 bands) and 1000 m (29 bands). All cloud
products are at a scale of 1 km or 5 km.
Algorithm to extract cloud parameters from visible-near infrared-infrared (VIS-NIR-IR) radiances from SEVIRI have already been
developed by the University of Ferrara and will be used to process events of interest for the present project. A cloud mask algorithm
will be developed for the Mediterranean area, with focus on the regions where other data will be available (i.e. Lecce, Rome, and
Lampedusa). MODIS cloud products will also used to check the SEVIRI retrievals and to provide cloud observations at higher
spatial resolution.
The EXPECTED RESULTS of the Ferrara task in the first 12 months of the Project are:
1) development and testing a cloud mask algorithm for the Mediterranean region based on SEVIRI data;
2) validation of the algorithm with respect to ground measurements and other satellites (MODIS) products;
The second year activities will focus on:
1) the application of the cloud mask algorithm to relevant case studies as those due to dust outbreaks;
2) the extraction of cloud microphysical properties for relevant case studies.
DESCRIPTION OF THE NUMERICAL TOOLS FOR AEROSOL TRANSPORT STUDIES (24 months)
The aerosol transport modeling activity is the other main task of the research program of the University of Ferrara. This research
activity will be basically devoted to carry out numerical simulations of the aerosol load in the Central Mediterranean region. To
set-up the transport model, the BOLCHEM model will be used in the present version, and some new modules will be implemented.
The numerical model BOLCHEM is made by different modules.
1) Meteorology
The meteorological driver is the meteorological model BOLAM. The BOlogna Limited Area Model (BOLAM) (Buzzi et al., 1994,
2003) is based on hydrostatic primitive equations, with wind components u and v, potential temperature theta, specific humidity q,
and surface pressure P_s, as dependent variables.
The vertical coordinate is terrain-following sigma=P/P_s, where P is the pressure at a generic level with non-uniformly spaced
levels having higher resolution in the boundary layer and upper troposphere. The horizontal discretization uses geographical
coordinates, with latitudinal rotation on an Arakawa C-grid. The initial and lateral boundary conditions are supplied from ECMWF
(European Centre for Medium-Range Weather Forecasting) reanalyses available at 0.5x0.5 degrees resolution. Snow cover, sea
surface temperature and soil temperature and wetness are derived from the ECMWF analyses as well. The orography used in the
simulations is derived from interpolation and smoothing of the 1 km resolution GLOBE Digital Elevation Model. The model
implements a Weighted Average Flux (WAF) scheme for the three dimensional advection (Billet and Toro, 1997). The time scheme is
split-explicit, forward-backward for gravity modes. The water cycle for stratiform precipitation is described by means of five
prognostic variables (cloud ice, cloud water, rain, snow and graupel), with a simplified approach similar to that proposed by Schultz
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(1995). Deep convection is parameterized using the Kain and Fritsch (1990) scheme. The boundary layer parameterization is based
on the mixing length theory, with exchange coefficients computed as a function of the Richardson number. Surface processes are
described by water and energy balances in a three-layer ground model. Radiation is computed using the parameterization proposed
by Ritter and Geleyn (1992) and by Morcrette (1991, 2001).
2) Transport
The Eulerian advection-dispersion equation is integrated for conservative tracers (and for reactive tracers, as far the transport and
turbulent dispersion is concerned) during the meteorological run, taking advantage from the mass conservation properties of the
advection scheme (see D'Isidoro et al. , 2005a; Tiesi et al., 2006).
The Lagrangian, deterministic trajectories (for a quite general description, see Maurizi et al., 2004) are calculated during the model
run (with the same time step), by integrating respectively the eastward and northward wind components, u and v. Being hydrostatic,
the model does not provide explicitly the vertical velocity, so the vertical motions are estimated from the time derivative of the
vertical coordinate sigma, leading to determine the pressure and then the geopotential height of the trajectory at each instant of time.
Particles are assumed to be inert and non-buoyant (sedimentation velocity is neglected). The addition of the settling velocity has
proven to be negligible with respect to the vertical motions proper of the atmosphere, over the time intervals of few days, typical for
the present simulations.
3) Chemistry
The model runs with the gas-phase (no aerosol) chemical mechanism SAPRC-90 (131 reactions with 35 chemical species) and CB-IV
(85 reactions and 30 chemical species).
Some tests, one over Europe and another over Italy, were carried out to preliminarily evaluate model performances. The first test
over Europe reproduced five days (30 July to 3 August) of the summer 2003 heat wave episode and was checked against different
modelling systems (Villani et al., 2005). The second test (D'Isidoro et al., 2005b), conducted over an Italian domain, simulated a
case of ozone episode that occurred over Italy during the first week of July 1999, when a west moving wave coming from northern
Africa crossed the Italian peninsula with temperatures reaching values up to 20°C at 850 hPa level, creating ideal meteorological
conditions for the developing of photochemical pollution at lower atmospheric levels, especially over the Po valley.
DESCRIPTION OF THE MODELING ACTIVITY
The activity to be carried out requires the use of :
1) simulations of the transport of nonreactive aerosols, with different flow approaches, for comparison with routine measurements (2
times a week) carried out at the Lecce, Rome and Lampedusa sites, and for the study of specific events that eventually occur during
the research activity. The main concern is the Sahara dust transport towards the northern Mediterranean region. This task will take
advantage from the existing passive transport scheme already implemented in BOLCHEM. Data on the sources will be obtained
from literature models of Sahara dust mobilization. The availability of MODIS observations of dust load over the sea, provided by
Lecce's Unit, will give further information about the early stage of transport and possibly will allow a check of the type of the source
model.
2) implementation of a module for evolving aerosol population, coupled with the (already active) scheme for reactive gases This task
is the core of the Research Unit activity. The aerosol module will be chosen in due time (in order to allow compatibilty of the model
with current European research on this topic).
3) transport simulations of realistic aerosols and integration observations/numerical simulations The successful implementation of
the first two tasks will allow to make simulations and comparisons with the observations provided by the other Research Units, at
first, and in a second stage with extensive networks of ground-based measurements. The work will take advantage from the
simultaneous availability of measurements at Rome and Lampedusa of the total atmospheric load of ozone and nitrogen oxide,
together with aerosol. This comparison will constitute the initial necessary step towards the use of assimilation techniques (which
are under development in this group in different projects) to drive the model in a more realistic simulation. At the same time, the
model simulation will produce a careful estimation of the geographical representativeness of point measurements.
EXPECTED RESULTS
1) simulations of the chemical composition of the atmosphere over limited areas with a realistic treatment of the passive tracers and
of the aerosol evolution, for selected periods
2) assessment of the variability of the aerosol concentration and integration of local experimental information
3) design of the integrated system to systematically allow combined experimental and numerical evaluation of the radiative impact of
the aerosol load and evolution in selected areas
DESCRIPTION OF MODELS FOR AEROSOL RADIATIVE FORCING ESTIMATES (24 months)
This activity will be performed by Rome's Unity during all Project duration. However Lecce's and Ferrara's Unity will contribute
mainly providing suitable data for the aerosol and cloud characterization, respectively in the radiative forcing models.
Different approaches will be used to quantify the aerosol direct radiative forcing (i.e. the difference between the radiative fluxes with
and without aerosols) on different time scales (seasonal, monthly, daily, and instantaneous). Due to computational limitations, the
calculation of monthly and seasonal mean forcing with the detail required for the instantaneous forcing is unpractical. Thus,
different radiative transfer models (two-stream, 6S, MODTRAN, improved UVSPEC) will be used.
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,
The two-stream model will be dedicated to estimate seasonal and monthly mean aerosol forcing. The model allows evaluating the
monthly evolution of the solar (0.35 - 4 µm) and infrared (4 -80 µm) aerosol radiative forcing at the top of the atmosphere, within the
atmosphere and at the Earth's surface, for clear-sky and all-sky conditions. The model has been developed for monthly average
calculations, and does not allow estimates of instantaneous and daily forcing.
The 6S radiative transfer model has been set up during the 2004 PRIN-Project coordinated by the University of Lecce. The 6S model
will also be used within this Project to estimate radiances and fluxes at the top of the atmosphere, and carry out comparisons with
satellite measurements. The 6S model allows a sufficiently detailed description of the aerosol properties and of the surface
reflectance. Main limitations are the limited spectral resolution (2.5nm) and inaccuracies in spectral regions characterized by strong
absorption bands.
Both MODTRAN, version 4.0, and an improved version of the UVSPEC will be used for the calculation of instantaneous and daily
aerosol forcing. Both models can be run with different radiative transfer schemes. For the purpose of the project, the discrete
ordinate method for a plane-parallel atmosphere will be used. A pseudo-spherical approximation is implemented for high solar
zenith angles, and will be applied when a correction to the photon path length is needed. The MODTRAN will be used to derive
broadband shortwave and longwave aerosol forcings; calculations will be made at a high spectral resolution (1 cm-1). The improved
UVSPEC allows a detailed description of the aerosol properties and vertical distribution. The improved UVSPEC has been
implemented and used at ENEA and at the University of Rome for several studies on the aerosol radiative effects and will be
dedicated to simulate high spectral resolution fluxes in the UV, visible, and near IR spectral regions.
The aerosol properties needed in the model description of the atmosphere will be derived from the combination of the different
measurement techniques (vertical profiles from lidar, size distribution and single scattering albedo from sun-photometers and
radiometers, chemical composition from surface sampling); observations will also provide information on several atmospheric
species (clouds, water vapour, ozone, nitrogen dioxide) that influence the radiative budget. Observational constraints (i.e. measured
radiative fluxes at the surface by pyranometers and pyrgeometers, and satellite radiances) will be used to validate model results.
MODIS and SEVIRI data provided by University of Ferrara, will be used to estimate cloud coverage in radiative forcing models.
Moreover MODIS data from the University of Lecce will be used to characterize surface albedos of the central Mediterranean sites
where raditive forcing is quantified.
The two-stream model will use the climatology developed from the regular observations carried out during the first year of the
project. The other models will allow the quantification of the forcing on a hourly and daily temporal scale in the central
Mediterranean for background aerosol conditions, and for significant events at the three measurement sites. The events, such as
transport of desert dust, intense pollution, and biomass burning, will be studied in details. The identification and interpretation of
these events will be supported by the analyses with the limited area meteorological model carried out at the University of Ferrara.
The use of different models will permit the comparison, for specific case studies, of different radiative transfer schemes.
EXPECTED RESULTS
Estimates of the radiative fluxes at the top, within the atmosphere and on the Earth's surface in connection with some specific events
will mainly be provided during the first 12 months of the Project.
The second year activities should allow:
1) the calculation of the influence of the different aerosol types on the monthly and daily means of the radiative fluxes and hence,
evaluation of the radiative effects caused by aerosols that are typical of the central Mediterranean area;
2) the comparison among the results obtained by the different radiative models used to make simulations;
3) studying the changes occurring in the radiative forcing in the different sites during significant atmospheric events and hence, the
evaluation of radiative effects due to different aerosol types in various geographic scenarios of the Mediterranea area.
Descrizione del ruolo delle Unità operative locali
Testo italiano
Unità I
L'obiettivo principale dell'Unità di Lecce è di utilizzare dati satellitari e le misure effettuate con differenti tecniche a
PERRONE Lecce, Lampedusa e Roma, per realizzare un insieme integrato di dati e contribuire alla definizione di una climatologia
Maria Rita degli aerosol riferita, in particolar modo, al Mediterraneo centrale. La climatologia aerosolica è una condizione "sine
qua non" per determinare possibili tendenze dovute ai processi naturali ed antropici, e per avere dei risultati relativi al
riscaldamento globale. Quindi, oltre ad essere coinvolta nelle misure, l'Unità di Lecce:
a) coordinerà le attività di monitoraggio a Lampedusa, Roma e Lecce ed
b) eseguirà l'analisi statistica dei dati aerosolici ottenuti nei 3 siti da campionamenti in situ, e da tecniche di remote
sensing attive e passive.
MIUR - BANDO 2006
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,
Si ritiene che l'Unità di Lecce attraverso l'analisi statistica di tutti i dati disponibili, contribuirà ad raggiungere una più
profonda conoscenza e caratterizzazione delle proprietà degli aerosol e della loro dipendenza dall'origine delle masse
d'aria trasportate sul Mediterraneo. Inoltre, l'insieme dei dati servirà anche a fornire la migliore caratterizzazione
possibile delle proprietà degli aerosol:
1) nei modelli di forzatura radiativa utilizzati dall'Unità di Roma per definire l'impatto degli aerosol sul clima e
2) per studi di "inter-comparison" con i risultati del modello di trasporto degli aerosol sviluppato dall'Unità di Ferrara.
L'esperienza acquisita dall'Unità nel Progetto PRIN-2004 (prot. 2004023854) sarà di particolare supporto per
raggiungere gli obiettivi sopra menzionati.
L'attività di ricerca sarà effettuata lungo i due anni del progetto.
A Lecce, Roma e Lampedusa saranno effettuate misure con lidar, radiometri e campionatori al suolo. Tali misure
saranno effettuate con continuità per ridurre gli effetti dovuti alla scelta di condizioni particolari e quindi per avere un
insieme di dati statisticamente più significativo, solo durante i primi 12 mesi del progetto.
Va comunque menzionato che per tutta la durata progetto, saranno effettuate misure congiunte a Lecce, Roma e
Lampedusa, durante alcuni eventi che interesseranno il bacino del Mediterraneo, come quelli dovuti alle tempeste di
polvere Sahariana, agli incendi forestali, alle eruzioni vulcaniche ed al trasporto di masse d' aria dal Nord America.
L'analisi statistica dei differenti parametri aerosolici ottenuti dall'analisi dei dati satellitari (MODIS), e dalle misure
nei siti selezionati (Lecce, Roma e Lampedusa) sarà principalmente fatta durante tutta la durata del progetto (24 mesi).
PRINCIPALI RISULTATI ATTESI DALL'UNITA' DI LECCE
A) Dati sull'evoluzione delle concentrazioni di PTS e di PM2.5 e sulla corrispondente composizione elementale, relativi
ad aerosol di background ed ad eventi di inquinamento, come quelli dovuti alle tempeste di polvere Sahariana, agli
incendi forestali, alle eruzioni vulcaniche e al trasporto di masse d'aria inquinate provenienti dal nord America. Questi
dati in alcuni periodi saranno anche coadiuvati da ulteriori dati relativi all'indice di rifrazione e distribuzione
dimensionale delle particelle campionate ed alla correlazione tra composizione delle particelle e diametro
aerodinamico.
B) Dati sull'evoluzione della distribuzione verticale degli aerosol utilizzando i profili dei coefficienti di retrodiffusione
aerosolica e del rapporto di depolarizzazione. Questi dati durante alcuni periodi saranno anche coadiuvati a Lecce e
Roma, dai profili verticali del rapporto di mescolamento del vapore acqueo, del coefficiente di estinzione e del rapporto
lidar, che permetteranno di caratterizzare meglio la distribuzione verticale degli aerosol.
C) Dati sui valori colonnari delle proprietà aerosoliche (distribuzione dimensionale, indice di rifrazione, albedo di
singolo scattering) ricavati da misure radiometriche al suolo.
Unità II
SIANI
Anna
Maria
D) Dati sulle proprietà degli aerosol ottenuti da MODIS.
La principale attività che l'Unità di Roma intende svolgere nell'ambito del progetto, consiste nel calcolo del forcing
radiativo causato dalla presenza di aerosol atmosferici in vari scenari geografici tipici del Mediterraneo centrale, quali
siti rurali-marini, marini ed urbani e situazioni a scala sinottiche e locale particolari.
A questo si aggiunge un'attività osservativa basata sulla strumentazione operante a Roma ed all'isola di Lampedusa.
L'attività osservativa relativa a misure regolari sarà svolta solo per i primi 12 mesi. Le osservazioni focalizzate su brevi
campagne mirate allo studio di eventi particolari (trasporto di polveri, incendi, periodi di stagnazione prolungata con
fenomeni di alto inquinamento locale) saranno condotte durante tutta la durata del Progetto.
Verranno utilizzati approcci diversificati per quantificare gli effetti radiativi diretti (forcing), cioè la differenza tra i
flussi radiativi in presenza ed in assenza di aerosol, su diverse scale temporali (stagionali, mensili, giornaliere,
istantanee). A causa di limitazioni nei tempi di calcolo, la determinazione dei forcing medi stagionali e mensili non può
essere effettuato con lo stesso grado di dettaglio richiesto per la stima dei forcing istantanei. Verranno quindi utilizzati
diversi modelli di trasferimento radiativi: "two-stream", 6S, MODTRAN, e UVSPEC modificato.
Il modello "two-stream" sarà indirizzato alla stima dei forcing medi stagionali e mensili. Il modello permette di stimare
l'evoluzione del forcing solare (banda 0.35-4 micron) ed IR (banda 4-80 micron) alla sommità dell'atmosfera,
nell'atmosfera, ed alla superficie, sia per cielo sereno che con nubi. Il modello è stato sviluppato per il calcolo di
forcing medi mensili, e non permette il calcolo di forcing giornalieri e istantanei.
Il modello 6S messo a punto durante il PRIN-2004, sarà utilizzato per stimare flussi e radianze alla sommità
dell'atmosfera, e per confrontare i risultato con le osservazioni da satellite. Il modello 6S permette una
rappresentazione sufficientemente dettagliata sia delle proprietà degli aerosol, che della riflettanza superficiale. Le
maggiori limitazioni del modello risiedono nella ridotta risoluzione spettrale (2.5 nm).
Il calcolo del forcing istantaneo e giornaliero sarà effettuato utilizzando sia il MODTRAN, versione 4.0, sia una
versione migliorata del modello UVSPEC che possono utilizzare differenti schemi di trasferimento della radiazione. Per
le analisi previste dal Progetto, si utilizzerà il metodo delle ordinate discrete per un'atmosfera piano-parallela. A
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,
grandi angoli zenitali solari si utilizzerà l'approssimazione pseudo-sferica.
Il MODTRAN sarà utilizzato per la stima dei forcing a larga banda sia nella regione solare che infrarossa; i calcoli
verranno effettuati ad elevata risoluzione spettrale (1 cm-1).
Il modello UVSPEC è stato recentemente migliorato per ottenere una descrizione dettagliata delle proprietà degli
aerosol e della struttura verticale dell'atmosfera. Il modello sarà utilizzato per simulare i flussi radiativi ad alta
risoluzione spettrale nelle regioni ultravioletta, visibile, e vicino infrarosso.
L'uso di differenti modelli permetterà il confronto, per specifici casi di studio, di differenti schemi di trasferimento
radiativi.
Durante i primi 12 mesi del Progetto, il forcing radiativo sarà essenzialmente studiato utilizzando il modelli
MODTRAN e UVSPEC2.
Le attività del secondo anno prevedono l'utilizzazione dei modelli di trasferimento radiativo per il calcolo degli effetti
radiativi degli aerosol che sono tipici del Mediterraneo. Pertanto, saranno valutati egli effetti sui flussi radiativi mensili
e giornalieri dovuti ai diversi tipi di aerosol presenti in vari scenari geografici tipici della zona del Mediterraneo
centrale.
Unità III
PRODI
Franco
I risultati relativi al confronto tra i vari modelli radiativi rappresentano un punto di forza del Progetto.
Il programma di ricerca dell'Unità di Ferrara comprende due attività principali che svolte durante tutta la durata del
Progetto: una è relativa alla messa a punto di un modello per il trasporto di aerosol, mentre l'altra è relativa alla
realizzazione di mappe di copertura nuvolosa utilizzando dati satellitari.
L'attività relativa allo sviluppo di un modello per il trasporto degli aerosol mira alla realizzazione di nuovi moduli
numerici da inserire nell'attuale versione del modello BOLCHEM. In particolare, lo sviluppo di un modulo per la
simulazione dell'evoluzione degli aerosol, accoppiato con l'attuale modulo chimico per gas reattivi, costituisce il nucleo
fondamentale del lavoro. Il modello di trasporto sarà utilizzato per realizzare simulazioni del carico di aerosol nella
regione del Mediterraneo Centrale, al fine di:
1) comprendere la variabilità locale dell'aerosol atmosferico e valutare la rappresentatività delle misure puntuali
effettuate dalle altre Unita` con tecniche lidar, fotometriche e di campionamento al suolo;
2) fornire alle altre Unità dati per il confronto e l'interpretazione delle misure collocandole in un continuo nello
spazio/tempo per una migliore interpretazione dei processi di trasporto e del bilancio radiativo.
In particolare, l'Unità di Lecce utilizzerà i profili prodotti dal modello di trasporto per un confronto sia con le
elaborazioni statistiche dei dati locali, sia con le misure di eventi particolari. L'Unità di Roma utilizzerà i dati forniti
dal modello di trasporto sulla composizione atmosferica (gas, aerosol, nubi), integrati con quelli relativi alla copertura
nuvolosa elaborato dall' U.O. di Ferrara, per una valutazione dell'influenza di questi dati sui modelli di forcing
radiativo.
La seconda attività della Unità di Ferrara sarà quella di produrre mappe di copertura nuvolosa e caratteristiche delle
nubi, all'appropriata scala spazio-temporale, da inserire nei modelli usati dalla Unità di Roma per valutare il forcing
radiativo. Tutti i prodotti sulle nubi verranno estratti dai dati da satellite, sfruttando anche database esistenti (come il
già citato ISCCP). Le risorse satellitari per la determinazione e classificazione delle aree nuvolose includono il sensore
Spinning Enhanced Visible InfraRed Imager (SEVIRI) orbitante sulla piattaforma geostazionaria Europea METEOSAT
ed il MODerate resolution Imager Spetroradiometer (MODIS) disponibile sulle piattaforme a bassa orbita TERRA ed
AQUA della NASA.
I dati SEVIRI, disponibili dal febbraio 2004 ogni 15 minuti, vengono raccolti in 12 bande spettrali da 0.56 a 14.4
micron, con una risoluzione spaziale di circa 3.5 x 4.5 km nel Mediterraneo centrale. Il MODIS misura radianze in 36
canali da un'orbita quasi polare circolare eliosincrona a circa 705 km dalla superficie terrestre. I canali sono
distribuiti tra 0.4 e 14 micron a risoluzione spaziale al nadir variabile da 250 m (2 canali), 500 m (5 canali) e 1000 m
(29 canali). Tutti i prodotti di nube disponibili sono su griglia spaziale di 1 o 5 km.
Alcuni algoritmi per estrarre dal SEVIRI i parametri di nube dalle radianze nel visibile-vicino-nfrarosso-infrarosso
sono già disponibili e saranno Utilizzati per processare eventi di interesse del progetto. Un algoritmo di cloud mask
sarà sviluppato per l'area del Mediterraneo centrale, centrato sulle aree dove saranno disponibili altri dati durante il
Progetto. Saranno anche considerati i prodotti del MODIS, fornendo stime dei parametri di nube a maggior risoluzione
spaziale.
La ricerca all'interno del progetto relativa a questa seconda attività prevede per i primi 12 mesi, lo sviluppo e la
validazione di un algoritmo di cloud mask per il Mediterraneo centrale basato su dati SEVIRI.
L'attività del secondo anno riguarderà:
1) l'applicazione dell'algoritmo di cloud mask a casi di studio rilevanti per il progetto, come quelli riguardanti il
trasporto di polvere sahariana;
2) l'estrazione di proprietà microfisiche di nube.
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,
Testo inglese
Unit I
The main objective of the research activity of Lecce's Unity is to merge, besides satellite data, all aerosol observations
PERRONE made at the different monitoring sites by multiple techniques, to get an integrated data set and contribute to the
Maria Rita establishment of the aerosol climatology with special focus over the central Mediterranean. Aerosol climatology is a
"sine qua non" condition to determine possible trends due to natural and man-made processes, as well as feedbacks
related to global warming. Then, besides carrying out aerosol monitoring measurements, Lecce's Unity will be deeply
involved:
a) in the coordination of the aerosol monitoring activities of Lampedusa, Rome, and Lecce and
b) in the statistical analysis of all aerosol data retrieved at the 3 sites by in situ sampling, and active and passive remote
sensing techniques.
It is expected that the statistical analysis performed by Lecce's Unity will contribute to get a deeper understanding and
characterization of the aerosol optical and microphysical properties and of their dependence on the origin region of the
air masses advected over the central Mediterranean. In addition, the retrieved data set should provide the most suitable
characterization of aerosol properties either
1) in the radiative forcing models used by Roma's Unity to infer aerosol impact on climate and
2) for the intercomparison studies with the results of the aerosol transport model developed by Ferrara's Unity.
The research activity will be performed during all Project duration and the expertise that was acquired by Lecce's Unity
within the 2004-PRIN Project (prot. 2004023854) will be of peculiar support to fulfill the above mentioned objectives.
Lidar, radiometer, and ground sampling measurements will be made at Lecce, Rome and Lampedusa on a fixed
schedule during the first 12 months of the Project to reduce effects due to the choice of preferential experimental
conditions and therefore to get statistically significant data sets.
However, during all Project duration (24 months), joint campaigns will be made at Lecce, Rome and Lampedusa, when
special pollution events will affect the central Mediterranean.
The statistical analysis of different aerosol parameters retrieved by satellite (MODIS) data analysis, and by
measurements at the selected sites (Lecce, Rome and Lampedusa) will be mostly performed during the second
Project'year.
The main EXPECTED RESULTS to fulfill to above mentioned objectives are listed below:
A) Data sets regarding the temporal evolution of PTS and PM2.5 concentrations and the corresponding elemental
composition when background aerosol dominate and during pollution events as those due to Sahara dust outbreaks,
forest fires and volcano eruptions and the transport through the Atlantic Sea of polluted air masses from North
America. These data during selected periods will be supported by further data regarding the particle size distribution,
the correlation between particle's composition and particle's aerodynamic diameter, and the refractive index of selected
particles.
B) Data sets regarding the evolution of the aerosol vertical distribution by mean of the vertical profiles of the aerosol
backscatter coefficient and of the depolarization ratio. These data during selected periods will be supported at Lecce
and Rome by the vertical profiles of the water vapor mixing ratio, the extinction coefficient, and the lidar ratio that
allow a better characterization of the vertical distribution of the aerosol optical properties.
C) Data sets regarding the columnar values of the aerosol properties (aerosol optical depths, size distribution,
refractive index, single scattering albedo) retrieved by ground based radiometer measurements.
Unit II
SIANI
Anna
Maria
D) Data set regarding the aerosol properties from MODIS retrievals.
The main research activity of Rome's Unity is the estimation of the radiative forcing caused by atmospheric aerosols in
geographical scenarios (rural, marine and urban) typical of the central Mediterranean basin and related to different
synoptic- and local-scale atmospheric circulations.
In addition, Rome's Unity will operate the instrumentation for aerosol observations in an urban site (Rome) and in a
remote site (Lampedusa Island). Routine measurements will be performed during the first 12 months of the project.
Short periods of intense operation are planned during all project, in order to study significant events (dust transport,
aerosol produced by large fires, severe pollution episodes during stagnation conditions or transported from remote
sites).
Different approaches will be used to quantify the aerosol direct radiative forcing on different time scales (seasonal,
monthly, daily, and instantaneous). Due to computational limitations, calculations of monthly and seasonal mean
forcing with the details required for the instantaneous forcing are unpractical. Thus, different radiative transfer models
(two-stream, 6S, MODTRAN, improved UVSPEC) will be used.
The two-stream model will be dedicated to estimate seasonal and monthly mean aerosol forcing. The model allows
evaluating the monthly evolution of the solar (0.35 - 4 µm) and infrared (4 -80 µm) aerosol radiative forcing at the top
of the atmosphere, within the atmosphere and at the Earth's surface, for clear-sky and all-sky conditions. The model
developed for monthly average calculations, does not allow estimates of instantaneous and daily forcing.
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,
The 6S model will be used to estimate radiances and fluxes at the top of the atmosphere, and carry out comparisons
with satellite measurements. The 6S model allows a sufficiently detailed description of the aerosol properties and of the
surface reflectance. Main limitations are the limited spectral resolution (2.5nm).
Both MODTRAN, version 4.0, and an improved version of the UVSPEC will be used for the calculation of instantaneous
and daily aerosol forcings. Both models can be run with different radiative transfer schemes. For the purpose of the
project, the discrete ordinate method for a plane-parallel atmosphere will be used. A pseudo-spherical approximation is
implemented for high solar zenith angles, and will be applied when a correction to the photon path length is needed.
The MODTRAN will be used to derive broadband shortwave and longwave aerosol forcings; calculations will be made
at a high spectral resolution (1 cm-1). The improved UVSPEC allows a detailed description of the aerosol properties
and vertical distribution. The improved UVSPEC has been implemented and used at ENEA and at the University of
Rome for several studies on the aerosol radiative effects, also combining surface and satellite observations, and will be
dedicated to simulate high spectral resolution fluxes in the UV, visible, and near IR spectral regions.
The use of different models will permit the comparison, for specific case studies, of different radiative transfer schemes.
During the first 12 months of the Project, the radiative forcing will mainly be estimated by means of the MODTRAN and
the improved UVSPEC model: both models will allow obtaining a first estimate of the radiative fluxes at the top of the
atmosphere and on the Earth's surface in connection with the episodes studied.
The second year activities should allow evaluating the radiative effects caused by aerosols that are typical of the central
Mediterranean area. To this end, the influence of the different aerosol types on the monthly and daily means of the
radiative fluxes will be investigated in various geographic scenarios of the Mediterranea area.
Unit III
PRODI
Franco
The comparison among the results obtained by the different radiative models also represents an important issue of the
second year activities.
The research program of the University of Ferrara is composed by two main activities that will be performed during all
Project duration: one aiming to the set-up of an aerosol transport model, the other aiming to the extraction of cloud
mask from satellite data.
To set-up the transport model, some new modules will be implemented in the present version of the BOLCHEM model.
The implementation of a module for evolving aerosol population, coupled with the (already active) scheme for reactive
gases represents the main task of this activity. The aerosol transport modeling activity will be basically devoted to carry
out numerical simulations of the aerosol load in the Central Mediterranean region, in order to:
1) assess the local variability of aerosols in the atmosphere and give estimates of the representativeness of the point
measurements performed by the other research Units in Lampedusa, Lecce and Roma, by using lidar and photometric
techniques as well as ground-level sampling;
2) supply the other Units with data merged in 4D fields for a better interpretation of the transport processes and the
evaluation of the radiative budget.
In particular, simulated aerosol profiles provided by the transport model shoud be compared to the mean profiles
retrieved by Lecce's Unity during regular measurements, as well as to those retrieved during specific events, to better
characterize the oserved events. While, the Rome's Unit, in the frame of the radiative budget evaluation, will use the
transport model outputs on atmospheric composition (gases, aerosol, clouds) for a better evaluation of their influence
on radiative forcing models.
A further task of Ferrara's Unit will be to provide cloud cover and cloud classification maps, at the proper spatial and
temporal resolution, to be ingested in the radiative transfer models used by Rome's Unity to evaluate the aerosol
radiative forcing. All cloud products will be retrieved from satellite data, also exploiting existing database (such as
ISCCP). Available satellite resources for cloud detection and analysis include: the Spinning Enhanced Visible InfraRed
Imager (SEVIRI) on board the European operational geostationary satellite METEOSAT and the MODerate resolution
Imaging Spetroradiometer (MODIS) flying on low orbit satellites TERRA and AQUA. SEVIRI data, available since
February 2004 every 15 minutes, are collected in 12 spectral bands from 0.56 to 14.5 micrometer, with a spatial
resolution of about 3.5 x 4.5 km in central Mediterranean areas. The MODIS sensor measures radiance in 36 channels
from a near-polar circular sun-synchronous orbit at about 705 km from the earth surface. The channels are distributed
between 0.4 and 14 micrometer in four focal plane assemblies, with nadir spatial resolutions of 250 m (for 2 bands),
500 m (5 bands) and 1000 m (29 bands). All cloud products are at a scale of 1 km or 5 km.
Algorithms to extract cloud parameters from visible-near infrared-infrared (VIS-NIR-IR) radiances from SEVIRI have
already been developed by the University of Ferrara and will be used to process events of interest for the present
project. A cloud mask algorithm will be developed for the Mediterranean area, with focus on the regions where other
data will be available. MODIS cloud products will also used to check the SEVIRI retrievals and to provide cloud
observations at higher spatial resolution. The development, testing and validation of the cloud mask algorithm for the
Mediterranean region based on SEVIRI data will be done within the first 12 months of the Project. While, during the
second year the activity will focus on the application of the cloud mask algorithm to relevant case studies as those due
to dust outbreaks and to the extraction of cloud microphysical properties for relevant case studies.
MIUR - BANDO 2006
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,
PARTE III
3.1 Spese delle Unità di Ricerca
Unità I
Unità II
50.000
20.000
2.400
0
0
0
40.000
20.000
5.000
0
0
0
35.000
20.000
40.000
Dottorati a carico del PRIN da destinare a questo specifico programma
0
0
0
Servizi esterni
0
0
0
10.000
4.000
4.000
Pubblicazioni
3.000
3.000
2.000
Partecipazione / Organizzazione convegni
1.500
4.000
4.000
0
0
0
139.500
71.000
57.400
Materiale inventariabile
Grandi Attrezzature
Materiale di consumo e funzionamento (comprensivo di eventuale quota forfetaria)
Spese per calcolo ed elaborazione dati
Personale a contratto
Missioni
Altro
TOTALE
Unità III
3.2 Costo complessivo del Programma di Ricerca
Unità I
RD+RA (fondi di Ateneo)
Costo totale del programma
Unità III
43.200
24.000
17.200
0
0
0
96.300
47.000
40.200
139.500
71.000
57.400
Cofinanziamento di altre amministrazioni pubbliche, private o fondazioni
Cofinanziamento richiesto al MIUR
Unità II
Euro
Costo complessivo del Programma
267.900
Risorse complessivamente disponibili all'atto della domanda (RD + RA)
84.400
Cofinanziamento di altre amministrazioni pubbliche, private o fondazioni
0
Cofinanziamento richiesto al MIUR
183.500
(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi
finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; D. Lgs, 196 del 30.6.2003 sulla "Tutela dei dati personali")
Firma _____________________________________
MIUR - BANDO 2006
Data 03/05/2006 ore 11:38
- 29 -

PARTE I 1.1 Programma di Ricerca afferente a 1.2 Titolo del

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