Assessment of ozone and solar ultraviolet radiation near the edge of southern polar vortex using ground-based and satellite data products

Mgr. Klára Čížková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem disertační práce bylo hodnocení ozonu a ultrafialového (UV) slunečního záření na okraji jižního polárního víru, s využitím pozemních i satelitních měření. Práce je založena na třech vědeckých článcích, které přinášejí nové informace na témata přesnosti dat celkového ozonu a časoprostorové proměnlivosti ozonu, erytémového i spektrálního UV záření v Antarktidě. Analýzy prezentované v přiložených článcích jsou založeny na vysoce kvalitních měřeních ozonu a UV záření realizovaných pomocí Brewerova spektrofotometru B199 s dvojitým monochromátorem. Tento přístroj byl v roce 2010 nainstalován na staniciMarambio, nacházející se v oblasti Antarktického poloostrova. Dostupné časové řady byly analyzovány s použitím pokročilých statistických metod a modelů radiačního přenosu, byly však představeny i inovativní aplikace modelů postavených na základě umělých neuronových sítí. Bylo zjištěno, že kvalita pozemních měření ozonu na stanici Marambio je dostačující, ale pouze jeden zdroj satelitních dat (data z přístroje Ozone Monitoring Instrument získaná s využitím TOMS algoritmu) je vyhovující pro studium atmosférických procesů v oblasti Antarktidy. Časové řady využívající algoritmus typu DOAS významně nadhodnocovaly měření celkového ozonu z pozemních přístrojů. Dále bylo hodnoceno erytémové UV záření ze šesti stanic napříč Antarktidou. Stabilita a velikost polárního víru měla nejvýznamnější vliv na úroveň dávek erytémového UV záření, které byly větší v letech s dlouhotrvajícím polárním vírem, který vedl k rozsáhlému poškození ozonové vrstvy. Časová variabilita UV záření byla velmi podobná na celém kontinentu, lišila se pouze v úrovni dávek, což bylo zapříčiněno různou výškou Slunce nad obzorem a rozdílnou odrazivostí povrchu na jednotlivých stanicích. Menší rozdíly byly způsobeny lokálními meteorologickými podmínkami, například množstvím a proměnlivostí oblačnosti. Nejdůležitějším parametrem ovlivňujícím spektrální intenzitu UV záření byl zenitový úhel Slunce, který měl nejvýraznější efekt v krátkých vlnových délkách. Stratosférický ozon ovlivňoval především krátkovlnné UV záření s vlnovou délkou přibližně do 330 nm, které v sezónách s výraznou ozonovou anomálií dosahovalo maximální intenzity nejčastěji v pozdních jarních měsících.

Abstract:

The aim of this thesis is to assess the ozone and ultraviolet (UV) solar radiation near the edge of southern polar vortex, using both ground-based and satellite datasets. The thesis is based on three research papers, which bring novel information on the precision of total ozone measurements, and spatiotemporal variability of ozone, erythemal and spectral UV radiation in Antarctica. Analyses presented in the enclosed papers are based on the high-quality ozone and UV radiation measurements taken by the double-monochromator B199 Brewer spectrophotometer, which was installed at Marambio Base, Antarctic Peninsula region, in 2010. The time series were assessed using advanced statistical methods and radiative transfer modelling, but innovative applications for artificial neural network models were also presented. It was found that ground-based total ozone measurements available at Marambio Base are of sufficient quality, but only one satellite dataset (TOMS-algorithm retrieval from the Ozone Monitoring Instrument) was found precise enough to be applicable for atmospheric research use in the Antarctic environment. Data products employing DOAS-type algorithms showed a significant overestimation of total ozone column. Furthermore, erythemal UV radiation from six different sites across Antarctica was studied. The stability and strength of the polar vortex had the most pronounced effect on the erythemal UV radiation doses, which were higher in seasons where a long-lasting polar vortex with an extensive ozone depletion was observed. The general temporal pattern is similar across the entire continent, differing only in magnitude caused by various solar elevation and albedo at individual sites. Smaller variances were caused by local meteorological conditions, such as changes in cloud cover. Spectral UV radiation was found to be most responsive to solar zenith angle, which has the most profound effect at the shortest wavelengths. Stratospheric ozone affected mostly short-wave UV radiation of wavelengths to about 330 nm, causing it to peak in seasons with large ozone holes already in late spring.

Keywords

stratosférický ozon, ozonová anomálie, ultrafialové záření, polární vír, Antarktida, stratospheric ozone, ozone hole, ultraviolet radiation, polar vortex, Antarctica

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 22. 9. 2023
• Supervisor: doc. Mgr. Kamil Láska, Ph.D.
• Reader: Dr. Boyan Hristozon Petkov, Mgr. Anna Pribullová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physical geography / Physical geography