This study deals with concentration and light extinction of atmospheric aerosol in Seoul. From the measured aerosol size distribution for particle diameter ranging from 0.01 $\mum \sim 1.0 \mum$, extinction coefficient is calculated using the Mie theory. The results show that the diurnal variation of aerosol concentration, in general, reveals the lowest concentration in early morning and afternoon, while the highest at about 8 O'clock owing to the heavy traffic and accumulation of air pollution in the low atmosphere. However, aerosol concentration and extinction coefficient on April 7 give low values due to the advective wind. On the other hand, high aerosol concentration and extinction coefficenat are recorded on April 10 although solar radiation is weak. From the distribution of extinction coefficient we can find that aerosol particles of 0.1 $\mum \sim 1.0 \mum$ in diameter are highly effective on light extinction.
A micro-pulse LIDAR system (MPL) was employed to measure the aerosol over Pudong, Shanghai from July 2008 to January 2009. Based on Fernald method, aerosol optical variables such as extinction coefficient were retrieved and analyzed. Results show that aerosol exists mainly in low layers; aerosol loading reaches its maximum in the afternoon, and then decreases with time until its minimum at night. Most of the aerosol concentrates in the layer below 3 km, and optical extinction coefficient in the layer below 2 km contributes 84.25% of that below 6 km. Two extinction coefficient peaks appear in the near surface layer up to 500 m and in the level around 1000 m. Aerosol extinction coefficient shows a seasonal downward trend from summer to winter.
The sensitivity of aerosol light extinction coefficient to the aerosol chemical composition change is estimated by (1) calculating the aerosol water content and chemical concentrations by a gas/particle equilibrium model and (2) calculating the aerosol light extinction coefficient by a Mie theory based optical model. The major chemical species are total (gas and particle phase) sulfuric acid, total nitric acid, and total ammonia which are based on the measurement data at Seoul and Gosan. At Seoul, since there were enough ammonia to neutralize both total sulfuric acid and total nitric acid, the dry ionic concentration is most sensitive to the variation of the total nitric acid level, while the total mass concentration (ionic concentration plus water content) and thus, the aerosol light extinction coefficient are primarily determined by the total sulfuric acid. At Gosan, since the concentration of ambient sulfuric acid was the highest among the inorganic species, sulfate salts determined aerosol hygroscopicity. Thus, both ionic and total mass concentration, and resultant aerosol light extinction coefficient are primarily determined by the sulfuric acid level.
The aerosol extinction vertical profile and surface visibility have been derived from the Microtops-II sunphotometer observation during the winter 2011 intensive observation period (IOP) at Seoul, Korea. Using models of degradation of aerosol optical thickness (AOT) and aerosol scale height, we have performed extinction-visibility modulation to determine the height dependent aerosol extinction and visibility. It is shown that the aerosol loading is relatively low during IOP (mean $AOT_{550}=0.22{\pm}0.08$, ${\AA}$ngstr$\ddot{o}$m exponent=$1.14{\pm}0.26$). Modeled extinction by use of Microtops II sunphotometer data shows good agreement with measurements by the Multi-wavelenth Polarization Lidar (MPoLAR), and the derived surface visibility are consistent with data from the transmissometer. These results emphasize the use of a vertically resolved extinction from AOT to predict visibility conditions at ground level.
The traditional approach to inverting aerosol extinction makes use of the assumption of a constant LIDAR ratio in the entire Mie-LIDAR signal profile using the Fernald method. For the large uncertainty in the cloud optical depth caused by the assumed constant LIDAR ratio, an not negligible error of the retrieved aerosol extinction below the cloud will be caused in the backward integration of the Fernald method. A new algorithm to determine aerosol extinction below a cirrus cloud from Mie-LIDAR signals, based on a new cloud boundary detection method and a Mie-LIDAR signal modification method, combined with the backward integration of the Fernald method is developed. The result shows that the cloud boundary detection method is reliable, and the aerosol extinction below the cirrus cloud found by inverting from the modified signal is more efficacious than the one from the measured signal including the cloud-layer. The error due to modification is less than 10% taken in our present example.
The vertical distributions of aerosol extinction coefficient were estimated using the scaling height retrieved at Gwangju, Korea ($35.23^{\circ}N$, $126.84^{\circ}E$) during a spring season (March to May) of 2009. The aerosol scaling heights were calculated on a basis of the aerosol optical depth (AOD) and the surface visibilities. During the observation period, the scaling heights varied between 3.55 km and 0.39 km. The retrieved vertical profiles of extinction coefficient from these scaling heights were compared with extinction profile derived from the Light Detection and Ranging (LIDAR) observation. The retrieve vertical profiles of aerosol extinction coefficient were categorized into three classes according to the values of AODs and the surface visibilities: (Case I) the AODs and the surface visibilities are measured as both high, (Case II) the AODs and the surface visibilities are both lower, and (Others) the others. The averaged scaling heights for the three cases were $3.09{\pm}0.46km$, $0.82{\pm}0.27km$, and $1.46{\pm}0.57km$, respectively. For Case I, differences between the vertical profile retrieved from the scaling height and the LIDAR observation was highest. Because aerosols in Case I are considered as dust-dominant, uplifted dust above planetary boundary layer (PBL) was influenced this discrepancy. However, for the Case II and other cases, the modelled vertical aerosol extinction profiles from the scaling heights are in good agreement with the results from the LIDAR observation. Although limitation in the current modelling of vertical structure of aerosols exists for aerosol layers above PBL, the results are promising to assess aerosol profile without high-cost instruments.
본 논문에서는 상용 카메라를 이용하여 미세먼지의 소산계수를 측정하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 하나의 주어진 영상에서 같은 방향에 놓인 동일한 종류의 물체에 대한 3개 이상의 화소점의 밝기를 이용하여 소산계수를 측정하였다. 계산에 사용하기 위해 선택된 화소에 해당하는 물체는 카메라와의 거리를 알고 있는 것으로 선택하였다. 카메라를 이용하여 측정한 미세먼지의 소산계수와의 비교를 위하여 라이다를 이용하여 소산계수를 측정하였다. 최종적으로 카메라를 이용하여 측정한 미세먼지의 소산계수와 라이다를 이용한 그것에는 신뢰할 수 있는 상관관계를 얻었으며, 약 0.86 정도의 값을 보였다. 같은 방법으로 카메라의 R, G, B 3센서의 유효파장에서 소산계수를 얻을 수 있다는 것을 보였으며, 이러한 3파장에서의 소산계수를 통하여 하루 동안의 옹스트롱 지수(Angstrom exponent) 변화를 얻었는데, 이 값은 0.7~1.6 범위에 존재한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 지수는 입자의 크기와 관련된 중요한 정보로 사용할 수 있다.
A new iterative algorithm is developed to estimate LIDAR ratio for a thin cirrus cloud over an aerosol layer. First, the thin cirrus cloud is screened out and replaced by a modeled LIDAR signal and the extinction coefficients of the aerosol layer are derived using the Fernald backward method. These aerosol coefficients are referred as the "actual values". Second, the original LIDAR signal which includes the thin cirrus cloud is also inverted by the Fernald backward method down to the aerosol layer but using different LIDAR ratio for the thin cirrus cloud. Depending on the different assumptions about the LIDAR ratio of the thin cirrus cloud, different sets of aerosol extinction can be derived. The "actual values" which are found in the first step can be used to constrain this iterative progress and the correct LIDAR ratio of the thin cirrus cloud can be found. The detailed description of this method and retrieval examples are given in the paper. The cases compared with other methods are presented and the statistical result is also shown and agrees well with other studies.
The vertical profiles and optical properties of Asian dust are investigated using ground-based measurements from 1998 to 2002. Vertical profiles of aerosol extinction coefficient are evaluated using MPL (Micro Pulse Lidar) data. Optical parameters such as aerosol optical thickness ($\tau$), ${\AA}ngstr\ddot{o}m$ exponent ($\alpha$), single scattering albedo ($\omega$), refractive index, and volume size distribution are analyzed with sun/sky radiometer data for the same period. We can separate aerosol vertical profiles into three categories. First category named as 'Asian dust case', which aerosol extinction coefficient is larger than $0.15km^{-1}$ and dust layer exists from surface up to 3-4km. Second category named as 'Elevated aerosol case', which aerosol layer exists between 2 and 6km with 1-2.5km thickness, and extinction coefficient is smaller than $0.15km^{-1}$. Third category named as 'Clear sky case', which aerosol extinction coefficient appears smaller than $0.15km^{-1}$. and shows that diurnal variation of background aerosol in urban area. While optical parameters for first category indicate that $\tau$ and $\alpha$ are $0.63{\pm}0.14$, $0.48{\pm}0.19$, respectively. Also, aerosol volume concentration is increased for range of 1 and $4{\mu}m$, in coarse mode. Optical parameters for second category can be separated into two different types. Optical properties of first type are very close to Asian dust cases. Also, dust reports of source region and backward trajectory analyses assure that these type is much related with Asian dust event. However, optical properties of the other type are similar to those of urban aerosol. For clear sky case, $\tau$ is relatively smaller and $\alpha$ is larger compare with other cases. Each case shows distinct characteristics in aerosol optical parameters.
The vertical profiles of the extinction coefficient, the backscatter coefficient, and the lidar ratio (i.e., extinction-to-backscattering ratio) for Asian dust and pollution aerosols are determined from Raman (inelastic) and elastic backscatter signals. The values of lidar ratios during two polluted days is found between 52 and 82 sr (July 22, 2009) and 40~60 sr (July 31, 2009) at 52 nm, with relatively low value of particle depolarization ratio (<5%) and high value of sun photometer-derived Angstrom exponent (> 1.2). However, lidar ratios between 25 and 40 sr are found during two Asian dust periods (October 20, 2009 and March 15, 2010), with 10~20% of particle depolarization ratio and the relatively low value of sun photometer-derived Angstrom exponent (< 0.39). The lidar ratio, particle depolarization ratio and color ratio are useful optical parameter to distinguish non-spherical coarse dust and spherical fine pollution aerosols. The comparison of aerosol extinction profiles determined from inelastic-backscatter signals by the Raman method and from elastic-backscatter signals by using the Fernald method with constant value of lidar ratio (50 sr) have shown that reliable aerosol extinction coefficients cannot be determined from elastic-backscatter signals alone, because the lidar ratio varies with aerosol types. A combined Raman and elastic backscatter lidar system can provide reliable information about the aerosol extinction profile and the aerosol lidar ratio.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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