Over the last decades, the importance of studying the structure of precipitation at particle size scale has been increasingly recognised, given its influence in a wide range of atmospheric and land processes. Applications in cloud physics and radar hydrology, calibration of space-borne and ground-based microwave precipitation sensors, soil science and agriculture are some of the environmental fields related to the drop size distribution (DSD). Precipitation is a non-stationary process, characterized by a great space and temporal variability mostly due to changes in atmospheric dynamics and cloud microphysical processes. These in turn are strictly connected with the properties and the distribution of the aerosol particles, which are the preferential sites of droplet formation in the atmosphere, influencing both cloud radiative properties and precipitation's initiation. High suspended aerosol concentration in low atmosphere, usually due to the anthropogenic emissions, causes short-term health effects and increases the possibility of contracting serious chronic respiratory and cardiovascular diseases. Under these circumstances, precipitation influences the aerosol concentration, by scavenging the aerosol particles to the ground and cleaning the atmosphere. This research project explore the use of some statistical methods to study the variation of precipitation and aerosol from a particle size scale and their mutual interactions. In the first part of the research the focus is on precipitation. In particular, the issue of the absence of a unique general model able to describe the drop diameter variability has been addressed and the Johnson SB (JSB) distribution, has been firstly proposed for this aim. The validity of this model has been deeply tested from a statistical point of view - large space has been given to the analysis of the skewness-kurtosis plane. Furthermore, the JSB capabilities in reproducing rain variables have been verified in order to prove its utility in practical applications. The second part of the research concerns the analysis of aerosols and aerosol-precipita-tion interactions. Specifically, the aerosol particle number size distribution (PNSD) has been analysed in order to test the possibility of formulating a generalized model to represent the PNSD pattern. Then, the influence of precipitation on aerosol concentration in low atmosphere has been studied, by studying the scavenging process. In both the two analyses, anthropogenic aerosol emissions have greatly influenced the final results.
Negli ultimi decenni, lo studio della struttura della precipitazione alla scala particellare ha destato un interesse crescente, data la sua influenza su un'ampia gamma di processi relativi alle dinamiche atmosferiche e del suolo. La calibrazione dei sensori di precipitazione a micro-onde al suolo e satellitari e svariate applicazioni nei campi della fisica delle nuvole, dell'idrologia radar, delle scienze del suolo e dell'agricoltura sono solo alcune delle aree legate allo studio della distribuzione dimensionale delle gocce di pioggia (Drop Size Distribution, DSD). La precipitazione è infatti un processo non stazionario, caratterizzato da una grande variabilità spazio-temporale, principalmente dovuta ai cambiamenti delle dinamiche atmosferiche e dei processi microfisici interni alle nubi. Questi, a loro volta, sono strettamente connessi alle proprietà e alla distribuzione dimensionale delle particelle di aerosol, che costituiscono i siti di formazione preferenziali delle gocce di pioggia in atmosfera, influenzando sia le proprietà radiative delle nuvole, che l'iniziazione della precipitazione. L'alta concentrazione di particolato sospeso nella bassa atmosfera, in larga parte dovuta alle emissioni antropiche, causa effetti negativi a breve termine sulla salute umana e accresce le possibilità di contrarre serie patologie croniche respiratorie e cardiovascolari. Viceversa, la precipitazione influenza la concentrazione dell'aerosol tramite il processo di rimozione (scavenging) delle particelle di aerosol, depositando queste ultime al suolo e rendendo l'atmosfera più pulita. Questo progetto di ricerca ha lo scopo di chiarire alcuni aspetti relativi allo studio statistico alla scala particellare della precipitazione e del particolato atmosferico e della complessa interazione di questi due fenomeni ambientali. Il focus della prima parte della ricerca è sulla precipitazione. In particolare, il problema dell'assenza di un modello generale in grado di descrivere la variabilità dei diametri delle gocce di pioggia, con le implicazione sopra citate, è stato affrontato e la distribuzione di probabilità Johnosn SB (JSB) è stata proposta per questo scopo. La validità di questo modello è stata testata in maniera approfondita dal punto di vista statistico, largo spazio è stato dato all'analisi del piano coefficiente di simmetria-coefficiente di curtosi. Inoltre, l'accuratezza della distribuzione JSB nel riprodurre le variabili legate alla precipitazione è stata verificata al fine di dimostrare l'utilità pratica del suo utilizzo. La seconda parte della ricerca concerne l'analisi dell'aerosol e delle interazioni precipitazione - aerosol. In particolare, è stata analizzata la distribuzione dimensionale numerica delle particelle di aerosol (Particle Number Size Distribution, PNSD) con l'obiettivo di testare la possibilità di utilizzare un modello generalizzato per la rappresentazione della PNSD nelle sue molteplici forme. Secondariamente, è stata studiata l'influenza della precipitazione sulla concentrazione dell'aerosol nella bassa atmosfera, è stata valutata l'entità della rimozione ed è stata comparata con altri studi in letteratura. In entrambe le due analisi, l'influenza delle emissioni antropogeniche di particolato atmosferico ha influenzato evidentemente i risultati finali ottenuti.
Statistical analysis of precipitation aerosol and their interactions from a particle size scale
CUGERONE, KATIA
Abstract
Over the last decades, the importance of studying the structure of precipitation at particle size scale has been increasingly recognised, given its influence in a wide range of atmospheric and land processes. Applications in cloud physics and radar hydrology, calibration of space-borne and ground-based microwave precipitation sensors, soil science and agriculture are some of the environmental fields related to the drop size distribution (DSD). Precipitation is a non-stationary process, characterized by a great space and temporal variability mostly due to changes in atmospheric dynamics and cloud microphysical processes. These in turn are strictly connected with the properties and the distribution of the aerosol particles, which are the preferential sites of droplet formation in the atmosphere, influencing both cloud radiative properties and precipitation's initiation. High suspended aerosol concentration in low atmosphere, usually due to the anthropogenic emissions, causes short-term health effects and increases the possibility of contracting serious chronic respiratory and cardiovascular diseases. Under these circumstances, precipitation influences the aerosol concentration, by scavenging the aerosol particles to the ground and cleaning the atmosphere. This research project explore the use of some statistical methods to study the variation of precipitation and aerosol from a particle size scale and their mutual interactions. In the first part of the research the focus is on precipitation. In particular, the issue of the absence of a unique general model able to describe the drop diameter variability has been addressed and the Johnson SB (JSB) distribution, has been firstly proposed for this aim. The validity of this model has been deeply tested from a statistical point of view - large space has been given to the analysis of the skewness-kurtosis plane. Furthermore, the JSB capabilities in reproducing rain variables have been verified in order to prove its utility in practical applications. The second part of the research concerns the analysis of aerosols and aerosol-precipita-tion interactions. Specifically, the aerosol particle number size distribution (PNSD) has been analysed in order to test the possibility of formulating a generalized model to represent the PNSD pattern. Then, the influence of precipitation on aerosol concentration in low atmosphere has been studied, by studying the scavenging process. In both the two analyses, anthropogenic aerosol emissions have greatly influenced the final results.File | Dimensione | Formato | |
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