Onderzoekers hebben een reeks op diodes gebaseerde lidar-instrumenten ontwikkeld die kunnen helpen belangrijke hiaten in meteorologische waarnemingen op te vullen en een sprong in het begrip te maken, modelleren en voorspellen van weer en klimaat. De instrumenten zijn bijzonder geschikt voor inzichten over atmosferische dynamiek op mesoschaal, een groottebereik gelijk aan de oppervlakte van een kleine stad tot die van een Amerikaanse staat.

Medewerkers van de Montana State University (MSU) in Bozeman en het National Center for Atmospheric Research (NCAR) in Boulder, Colo. zal het werk bespreken tijdens het Optical Sensors and Sensing Congress van The Optical Society, die zal plaatsvinden van 25-27 juni in San Jose, Californië, tijdens Sensoren Expo 2019.

Tot dusver, het team heeft vijf op diodes gebaseerde micro-puls differentiële absorptie lidar (DIAL) instrumenten gemaakt:MPD-instrumenten, kortom - voor het profileren van waterdamp in de lagere troposfeer, het gebied van de atmosfeer waar het meeste weer voorkomt. Instrumenten op basis van diodelasers werken in het golflengtebereik van 650 tot 1. 000 nanometer, meestal binnen het infraroodspectrum. De instrumenten kunnen zowel dag als nacht worden ingezet, grotendeels onbeheerd, zonder risico op oogletsel bij mensen.

"Het netwerk van vijf MPD-instrumenten voor waterdamp werd medio april ingezet voor het meten van atmosferische straling in het zuidelijke Great Plains-atmosfeerobservatorium, " zei teamlid Catharine Bunn. "Van dit veldexperiment van drie maanden zullen we inzicht krijgen in hoe weersvoorspellingen kunnen worden beïnvloed door continue MPD-metingen van atmosferische waterdamp.

Hiaten in de monitoring opvullen

Verschillende rapporten van de National Academies of Sciences, Engineering and Medicine en andere deskundigengroepen in het afgelopen decennium hebben een kritieke behoefte vastgesteld aan verticale meetprofielen van vochtigheid, spuitbussen, en temperatuur in de lagere troposfeer. Experts pleiten ook voor de oprichting van een "netwerk van netwerken" voor het verzamelen en delen van deze gegevens. Om de benodigde dekking te bieden voor verbeterde weers- en klimaatvoorspellingen in de VS, een rapport stelde voor om een ​​reeks sensoren op de grond in te zetten op ongeveer 400 locaties in het hele land, ongeveer 125 kilometer van elkaar verwijderd.

Echter, er is een leemte in de instrumentatie om aan deze visie voor onderzoek en monitoring te voldoen zonder afhankelijk te zijn van op vliegtuigen gebaseerde apparaten, die duur zijn om in te zetten. Voortbouwend op eerder werk van andere teams en in samenwerking met NCAR-wetenschappers, MSU-instrumentontwikkelaars wendden zich tot op diodes gebaseerde MPD-technologie als een economische route naar een profiler die nauwkeurige metingen kon doen en aan de gewenste specificaties kon voldoen voor continue, bediening zonder toezicht en oogbescherming.

Waarde tonen in het veld

De onderzoekers hebben vijf verschillende instrumenten ontwikkeld op basis van een gemeenschappelijke architectuur waarin laserpulsen de atmosfeer in worden gestuurd en het retoursignaal, die varieert als het licht interageert met waterdamp, wordt gemeten met enkele foton-telmodules. Alle vijf instrumenten zijn operationeel en twee zijn ingezet in grondgebonden weer- en klimaatonderzoeksexperimenten.

een instrument, ontwikkeld door wetenschappers van MSU en NCAR, werd uitgevoerd als onderdeel van het Front Range Air Pollution and Photochemistry Experiment (FRAPPE). Het instrument heeft het verticale waterdampprofiel gemeten met een gemiddelde fout van minder dan 10 procent over een reeks atmosferische omstandigheden, in vergelijking met profielen verzameld door apparaten in de lucht. Het liep ook 50 ononderbroken dagen zonder toezicht tijdens FRAPPE zonder duidelijke prestatievermindering, met een gegevensdekking van ongeveer 95 procent.

De onderzoekers zijn ook gevorderd in de richting van het verticaal profileren van twee andere interessante kenmerken van de lagere troposfeer:aerosolen en temperatuur. Op basis van de MPD-architectuur hebben NCAR-onderzoekers een nieuwe hoge spectrale resolutie lidar (HSRL) gebouwd die in staat is aerosolen te profileren. Als aanvulling op dit werk, een MSU-fysicus paste wiskundige technieken uit de kwantummechanica toe om een ​​vergelijking op te lossen die de deur opent naar het gebruik van metingen van eigenschappen van zuurstofmoleculen en andere atmosferische gegevens om een ​​verticaal temperatuurprofiel te creëren. Modellen en voorlopige experimenten suggereren dat naast het meten van waterdamp en andere deeltjes in de lucht, de HSRL kan metingen leveren die nodig zijn voor fijnkorrelige, hoogfrequente temperatuurprofilering.

Tijdens het junicongres de onderzoekers zijn van plan om het laatste nieuws te geven over hun temperatuurprofileringswerk en andere updates over hun instrumentatie. Voor nu, Bunn zei, "We beginnen temperatuurprofielen van de lagere troposfeer op te halen met een nauwkeurigheid van +/- 2 Kelvin en we werken aan het verbeteren van de prestaties van het instrument en het ophalen van algoritmen."