Remote sensing of aerosol characteristics and radiative forcing in Pakistan
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Description
This thesis investigates the aerosol characteristics over different cities of Pakistan through satellite borne sensors, namely the Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS), the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), and the Multi-angle Imaging Spectroradiometer (MISR), and ground-based instruments such as Aerosol Robotic Network (AERONET) and GRIMM 1.109 dust monitor. A Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) model was used for trajectory analysis in order to visualize the origins of air masses and understand the spatio-temporal variability of aerosol concentrations. An assessment of seasonal variability in aerosol optical depth (AOD) for industrial, urban, semi-urban, rural, and semi-arid areas revealed maximum AOD values during summer over all the areas under investigation. The correlation between AERONET and MODIS/MISR AODs during 2007 was also analyzed for Karachi and Lahore. The correlation coefficient for Karachi was found to be relatively high between AERONET and MISR and lower between AERONET and MODIS. In contrast, the correlation coefficient for Lahore was higher between AERONET and MODIS than between AERONET and MISR. The results suggest that the MISR sensor provides better AOD estimates near the ocean while AOD estimates from the MODIS sensor are better over terrestrial regions (especially over vegetated surfaces). The assessment of aerosol optical properties and aerosol radiative forcing (ARF) through the ground-based Aerosol Robotic Network (AERONET) over Lahore and Karachi has also been investigated in this study. The monthly mean of AOD at 500 nm over Lahore and Karachi ranges from 0.39 to 0.76, and the monthly mean Angstrom Exponent ranges from 0.29 to 1.22. The relationship between the Absorption Angstrom Exponent and the Extinction Angstrom Exponent provided an indication of relative proportions of urban-industrial and mineral dust aerosols over both sites. The single scattering albedo (SSA) ranged from 0.83 (440 nm) to 0.97 (1020 nm) over Lahore and Karachi. The SSA and imaginary parts of the refractive index values reveals that absorbing aerosols due to human activities (like industries and transport) are more dominant over Lahore than Karachi. The average ARF values over Lahore and Karachi were -22.5±5.9 Wm-2 and -18±2.2 Wm-2 at the top of atmosphere and -96±13 Wm-2 and -60±6.8 Wm-2 at the surface, respectively. The corresponding average atmospheric forcing is 74.56±16.8 Wm-2 over Lahore and 41.85±6.4 Wm-2 over Karachi - indicating significant heating of atmosphere at both sites. The relationships between AOD and four other cloud parameters, namely water vapour (WV), cloud fraction (CF), cloud top temperature (CTT) and cloud top pressure (CTP) are also investigated. The analyses showed strong positive correlations between AOD and WV for all selected cities. The correlation between AOD and CF was positive for cities where the air masses were predominantly humid, but negative for those where the air masses were relatively dry and carried low aerosol abundance. AOD showed a positive correlation with CTP and CTT in the northern areas of Pakistan and a negative correlation in southern areas. Aerosol inventories were also conducted in terms of particle size distributions (N), mass (M) concentrations, and particulate matter (PM) concentrations. These M and PM concentrations were obtained for Karachi, Lahore, Rawalpindi, and Peshawar from N concentrations using a native algorithm based on the Grimm model 1.109 dust monitor. PM10 and PM2.5 (24 hour average) concentrations at all sampling points were between 2 and 10 times higher than the maximum PM concentrations recommended by the WHO guidelines. Considering the high ambient aerosol concentrations, regional lung deposition of aerosol particles in the human respiratory tract was calculated using the stochastic lung deposition code IDEAL (Inhalation, Deposition and Exhalation of Aerosols in the Lung) to assess the extent of exposure. The results derived from this model disclose that extrathoracic deposition is in the range of 20 to 25% with total lung deposition ranging from 40 to 44 % for the scanned particle size range. Owing to the elevated alveolar deposition and longer retention times, deposited particles must be considered as a health risk to the personnel working on or near road side junctions in cities of Pakistan. (author)
Availability note (English)
Available from Salzburg University Library, Hofstallgasse 2-4, 5020 Salzburg (AT)Abstract (German)
In der vorliegenden Doktorarbeit werden charakteristische Aerosoleigenschaften ueber verschiedenen Staedten von Pakistan mit Hilfe von Satellitensensoren untersucht, naemlich mit dem Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS), dem Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) und dem Multi-Angle Imaging Spectroradiometer (MISR), und mit bodengebundenen Instrumenten wie dem Aerosol Robotic Network (AERONET) und dem GRIMM 1.09 Staubmonitor.Das Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HISPLIT) Modell wurde zur Analyse von Trajektorien verwendet, um die Herkunft der Luftmassen visualisieren und um die zeitliche und raeumliche Variabilitaet der Aerosolkonzentrationen verstehen zu koennen. Die Bewertung der saisonalen Variabilitaet der optischen Dicke des Aerosols (AOD) fuer industrielle, urbane, semi-urbane, rurale und semi-aride Gebiete ergab ueber allen untersuchten Gebieten maximale Werte fuer die AOD waehrend des Sommers. Die Korrelation zwischen den AODs von AERONET und MODIS/MISR waehrend des Jahres 2007 wurde ebenfalls fuer Karachi und Lahore untersucht. Der Korrelationskoeffizient zwischen AERONET und MISR ergab sich fuer Karachi als relativ hoch, jedoch war er zwischen AERONET und MODIS niedriger. Demgegenueber war der Korrelationskoeffizient fuer Lahore zwischen AERONET und MODIS hoeher als zwischen AERONET und MISR. Die Ergebnisse legen nahe, dass der MISR Sensor fuer ozeanische Regionen bessere Schaetzungen der AOD zur Verfuegung stellt, waehrend die AOD Schaetzungen des MODIS Sensors ueber terrestrischen Gebieten (insbesondere ueber Oberflaechen mit Vegetation) besser sind. Die Bewertung der aerosoloptischen Eigenschaften und des Strahlungsantriebs des Aerosols (ARF) wurde ebenfalls in dieser Studie mit Hilfe des bodengestuetzten Aerosol Robotic Network (AERONET) ueber Lahore und Karachi untersucht. ueber Lahore und Karachi variiert das Monatsmittel der AOD bei 500 nm zwischen 0,39 und 0,76, und der monatlich gemittelte Angstroem-Exponent variiert zwischen 0,29 und 1,22. Die Beziehung zwischen dem Angstroem-Exponenten fuer Absorption und dem Angstroem-Exponenten fuer Extinktion ergab einen Hinweis auf die relativen Anteile von urban-industriellen Aerosolpartikeln und von Mineralstaubaerosol ueber beiden Gebieten.Die Einfachstreualbedo (SSA) variierte ueber Lahore und Karachi von 0,83 (440 nm) bis 0,97 (1020 nm).Die Werte der SSA und des Imaginaerteils des Brechungsindex zeigen, dass absorbierende Aerosole, die durch anthropogene Aktivitaeten (wie z.B. Industrie und Verkehr) hervorgerufen werden, ueber Lahore dominanter sind als ueber Karachi. Die mittleren ARF-Werte betrugen ueber Lahore -22.5±5.9 Wm-2 und ueber Karachi -18±2.2 Wm-2 bezogen auf den Atmosphaerenoberrand bzw. -96±13 Wm-2 und -60±6.8 Wm-2 an der Erdoberflaeche. Der zugehoerige atmosphaerische Strahlungsantrieb ist 74.56±16.8 Wm-2 ueber Lahore und 41.85±6.4 Wm-2 ueber Karachi, was einer signifikanten Heizung der Atmosphaere fuer beide Gebiete entspricht.Ebenfalls wurden die Beziehungen zwischen AOD und vier anderen Wolkenparametern, naemlich Wasserdampf (WV), Wolkenbedeckungsgrad (CF), Wolkenoberseitentemperatur (CTT) und Wolkenoberseitendruck (CTP) untersucht.Die Untersuchungen ergaben starke positive Korrelationen zwischen AOD und WV fuer alle ausgewaehlten Staedte. Die Korrelation zwischen AOD und CF war positiv fuer diejenigen Staedte, fuer welche die Luftmassen vorwiegend feucht waren, jedoch war sie negativ fuer jene Staedte, fuer welche die Luftmassen relativ trocken waren und wenig Aerosol mit sich fuehrten. Die AOD zeigte eine positive Korrelation mit CTP und CTT in den noerdlichen Gebieten von Pakistan und eine negative Korrelation in den suedlichen Gebieten. Bestandsaufnahmen fuer das Aerosol wurden ebenfalls in Gestalt der Partikelgroessenverteilungen (N), der Massenkonzentrationen (M) und der Partikelmassenkonzentrationen (PM) durchgefuehrt. Diese Konzentrationen von M und PM wurden fuer Karachi, Lahore, Rawalpindi und Peshawar auf der Grundlage der N-Konzentrationen erhalten, wobei hierzu ein vom Grimm Model 1.109 Staubmonitor abstammender Algorithmus verwendet wurde.Die Konzentrationen fuer PM10 und PM2.5 (24-Stundenmittel) waren an allen Probenahmestellen zwischen 2-fach bis 10-fach hoeher als die maximalen von den WHO-Richtlinien empfohlenen PM-Konzentrationen. Unter Beruecksichtigung dieser sehr hohen Aerosolkonzentrationen in der Umgebungsluft wurde die regionale Lungendeposition von Aerosolpartikeln im menschlichen Atmungstrakt auf der Grundlage des stochastischen Lungendepositionsmodells IDEAL (Inhalation, Deposition and Exhalation of Aerosols in the Lung) berechnet, um das Ausmass der Belastung zu bewerten. Die Ergebnisse dieses Modells zeigen auf, dass die extrathorakale Deposition im Bereich von 20 bis 25% variiert, wobei die Gesamtdeposition in der Lunge fuer den untersuchten Partikelgroessenbereich zwischen 40 und 44% liegt. Infolge erhoehter alveolaerer Deposition und laengerer Rueckhaltezeiten muessen die abgelagerten Teilchen als ein Gesundheitsrisiko fuer Arbeitskraefte angesehen werden, die in pakistanischen Staedten direkt an oder nahe den Strassenkreuzungen arbeiten. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 147 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44014739
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- AEROSOLS; AIR; ALBEDO; CORRELATIONS; LUNGS; OZONE; PAKISTAN; PARTICLE SIZE; REFRACTIVE INDEX; REMOTE SENSING; TRAJECTORIES; URBAN AREAS; WATER VAPOR; WHO
- Descriptors DEC
- ASIA; BODY; COLLOIDS; DEVELOPING COUNTRIES; DISPERSIONS; FLUIDS; GASES; INTERNATIONAL ORGANIZATIONS; OPTICAL PROPERTIES; ORGANS; PHYSICAL PROPERTIES; RESPIRATORY SYSTEM; SIZE; SOLS; VAPORS