High-quality polar UV measurements : scientific analyses and transfer of the irradiance scale

Abstract

The Earth's ecosystems are protected from the dangerous part of the solar ultraviolet (UV) radiation by stratospheric ozone, which absorbs most of the harmful UV wavelengths. Severe depletion of stratospheric ozone has been observed in the Antarctic region, and to a lesser extent in the Arctic and midlatitudes. Concern about the effects of increasing UV radiation on human beings and the natural environment has led to ground based monitoring of UV radiation. In order to achieve high-quality UV time series for scientific analyses, proper quality control (QC) and quality assurance (QA) procedures have to be followed. In this work, practices of QC and QA are developed for Brewer spectroradiometers and NILU-UV multifilter radiometers, which measure in the Arctic and Antarctic regions, respectively. These practices are applicable to other UV instruments as well. The spectral features and the effect of different factors affecting UV radiation were studied for the spectral UV time series at Sodankylä.

The QA of the Finnish Meteorological Institute's (FMI) two Brewer spectroradiometers included daily maintenance, laboratory characterizations, the calculation of long-term spectral responsivity, data processing and quality assessment. New methods for the cosine correction, the temperature correction and the calculation of long-term changes of spectral responsivity were developed. Reconstructed UV irradiances were used as a QA tool for spectroradiometer data. The actual cosine correction factor was found to vary between 1.08-1.12 and 1.08-1.13. The temperature characterization showed a linear temperature dependence between the instrument's internal temperature and the photon counts per cycle. Both Brewers have participated in international spectroradiometer comparisons and have shown good stability. The differences between the Brewers and the portable reference spectroradiometer QASUME have been within 5% during 2002-2010. The features of the spectral UV radiation time series at Sodankylä were analysed for the time period 1990-2001. No statistically significant long-term changes in UV irradiances were found, and the results were strongly dependent on the time period studied. Ozone was the dominant factor affecting UV radiation during the springtime, whereas clouds played a more important role during the summertime.

During this work, the Antarctic NILU-UV multifilter radiometer network was established by the Instituto Nacional de Meteorogía (INM) as a joint Spanish-Argentinian-Finnish cooperation project. As part of this work, the QC/QA practices of the network were developed. They included training of the operators, daily maintenance, regular lamp tests and solar comparisons with the travelling reference instrument. Drifts of up to 35% in the sensitivity of the channels of the NILU-UV multifilter radiometers were found during the first four years of operation. This work emphasized the importance of proper QC/QA, including regular lamp tests, for the multifilter radiometers also. The effect of the drifts were corrected by a method scaling the site NILU-UV channels to those of the travelling reference NILU-UV. After correction, the mean ratios of erythemally-weighted UV dose rates measured during solar comparisons between the reference NILU-UV and the site NILU-UVs were 1.007±0.011 and 1.012±0.012 for Ushuaia and Marambio, respectively, when the solar zenith angle varied up to 80°. Solar comparisons between the NILU-UVs and spectroradiometers showed a ±5% difference near local noon time, which can be seen as proof of successful QC/QA procedures and transfer of irradiance scales. This work also showed that UV measurements made in the Arctic and Antarctic can be comparable with each other.

Auringon säteilystä noin 8 % on ultraviolettisäteilyä (UV-säteily), jonka lyhyet aallonpituudet ovat haitallisia maapallon ekosysteemeille. Ilmakehän yläkerroksissa sijaitsevat otsonimolekyylit suojaavat kuitenkin maapalloa UV-säteilyn haitallisimmilta aallonpituuksilta. Ilmakehässä noin 15-30 km:n korkeudella sijaitsevassa stratosfäärin otsonikerroksessa on havaittu 1980-luvulta lähtien otsonin kausittaista vähenemistä erityisesti napa-alueiden läheisyydessä. Voimakkainta otsonin väheneminen on ollut etelänavan ympäristössä eteläisen pallonpuoliskon kevätaikaan.

Suojaavan otsonikerroksen oheneminen herätti huolen maapallon pinnalle saapuvan UV-säteilyn mahdollisesta lisääntymisestä, ja järjestelmällinen UV-säteilyn mittaus aloitettiin monin paikoin 1980-luvun loppupuolella. Suomessa Ilmatieteen laitos aloitti spektrisen UV-säteilyn mittaukset Sodankylän mittausasemalla vuonna 1990. Mittausaikasarja on yksi Euroopan pisimmistä ja edustaa arktisen otsonikadon alueella tehtyjä UV-mittauksia. Korkeilla leveysasteilla tehtävät UV-mittaukset ovat haastavia runsaan ja vaihtelevan pilvisyyden, matalien auringon korkeuskulmien, kylmien lämpötilojen ja talvisten jäätämis- ja lumiolosuhteiden vuoksi. Korkealaatuiset tieteelliseen käyttöön soveltuvat UV-mittaukset vaativat järjestelmällisiä laadunvalvonta- ja laadunvarmistusmenetelmiä.

Tässä työssä on kehitetty Ilmatieteen laitoksen Brewer-spektroradiometreillä mitatuille UV-mittauksille prosessointiketju, jossa tuotetaan tieteelliseen tutkimuskäyttöön soveltuvaa UV-mittausaineistoa. Ketju sisältää laadunvalvonta- ja laadunvarmistusmenetelmiä, jotka perustuvat laboratoriokarakterisointien mittaustulosten ja teoreettisten sovellutusten yhdistämiseen. Menetelmät ovat sovellettavissa muillekin UV-säteilyä mittaaville radiometreille. Uutta on mm. pilvisyyden vaihtelut huomioiva kosinikorjausmenetelmä, jolla on korjattu matalista auringon korkeuskulmista aiheutuva virhe mittaustuloksissa. Uusia menetelmiä on myös kehitetty lämpötilariippuvuudesta ja mittauskyvyn muutoksista aiheutuvien virheiden korjaamiseen pitkistä aikasarjoista. Mittausten laatua on arvioitu osallistumalla säännöllisesti kansainvälisiin vertailukampanjoihin. Ilmatieteen laitoksen spektroradiometrien ja Euroopan kiertävän QASUME-vertailuspektroradiometrin mittaustulosten erot ovat olleet noin 5 % tai vähemmän vuosina 2002-2010.

Työssä analysoitiin Sodankylän spektrisen UV-säteilyn aikasarjassa esiintyviä lyhyt- ja pitkäaikaisia vaihteluja vuosina 1990-2001. Aikasarjaa kuvasti kuukausikeskiarvojen suuri vuosittainen vaihtelu, minkä seurauksena havaitut muutokset riippuivat valituista ajanjaksoista eivätkä olleet tilastollisesti merkittäviä. Kokonaisotsonin vaikutus UV-säteilyn vaihteluissa oli suurin keväisin, kun taas pilvisyyden vaikutus korostui kesällä.

Tämän työn yhtenä osana on ollut osallistuminen Etelämantereen alueella sijaitsevan UV-säteilyä mittaavan mittausverkoston suunnitteluun ja toteuttamiseen. Mittausverkoston on perustanut espanjalainen Instituto Nacional de Meteorogía (INM) espanjalais-argentiinalais-suomalaisena yhteistyönä vuosina 1999-2000. Käytettävät mittalaitteet ovat NILU-UV-monikaistaradiometrejä. Tässä työssä on kehitetty mittausverkostolle soveltuvat laadunvalvonta- ja laadunvarmistusmenetelmät, jotka voidaan ottaa käyttöön muissakin vastaavissa mittausverkostoissa. Menetelmät perustuvat kaksi kertaa kuukaudessa tehtäviin lamppumittauksiin ja kiertävällä vertailumittarilla tehtäviin auringon UV-säteilyn mittauksiin. Kehitettyjen menetelmien avulla voidaan korjata laitteiden mittauskyvyn muutoksista aiheutuvat virheet, sekä saattaa verkoston eri mittausasemien mittaustulokset vertailukelpoisiksi keskenään. Tämä työ osoitti, että kiertävää NILU-UV-vertailumittalaitetta voidaan käyttää irradianssiskaalan siirtämiseen pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon korkeiden leveysasteiden välillä. Lisäksi kiertävän NILU-UV-mittalaitteen vertailumittaukset spektroradiometrien kanssa osoittivat, että Euroopan arktisten alueiden ja Etelämantereen alueen UV-mittauksia on mahdollista vertailla keskenään.