Validierung von Doppler Wind LiDARen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit unbemannten kleinen Forschungsflugzeugen (UAS

2021 ◽  
Author(s):  
Jakob Boventer ◽  
Ines Weber ◽  
Martin Schön ◽  
Kjell zum Berge ◽  
Andreas Platis ◽  
...  
Keyword(s):  
Doppler Lidar

<p>Die Leistung und Verfügbarkeit von Lidar Systemen bei verschiedenen atmosphärischen Bedingungen ist unabdingbares Mittel zur Beobachtung der Atmosphärischen Grenzschicht. Um diese sicherzustellen werden Messungen benötigt die es ermöglichen die Lidar Messungen  zu validieren.</p> <p>Zu diesem Zwecke wurden im Rahmen der FESSTVaL Feldmess-Kampagne  im Sommer 2021 fluggestützte meteorologische Messdaten in der atmosphärischen Grenzschicht über dem Messfeld Falkenberg des Deutschen Wetterdienstes erfasst.</p> <p>Der Schwerpunkt lag dabei auf der Validierung von Doppler-Lidar Messungen der Windgeschwindigkeit, Windrichtung und der turbulenten kinetischen Energie im Höhenbereich von 90 m bis 600 m über Grund. Die Validierungsdaten wurden mit dem unbemannten Luftfahrtsystem (UAS) vom Typ MASC-3 (Multipurpose Airborne SensorCarrier, Typ 3) aufgenommen. Das UAS MASC-3 wird für meteorologische in-situ Messungen turbulenter Größen (Wind, Temperatur, Feuchte) sowie von Aerosol-Partikeln in der unteren Atmosphäre genutzt.[1]</p> <p>Mithilfe der UAS-Messungen wird die Qualität, die räumliche Auflösung und die Signifikanz der Lidar-Daten in verschiedenen Messkonfigurationen und unter unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen, wie z.B. thermische Schichtung, Wasserdampfgehalt, Konzentration und Größenverteilung der Aerosol-Partikel, bewertet.</p> <p>Geeignete Scanning-Strategien für die Lidar-Systeme können so bestimmt, charakterisiert und der Messfehler sowie die Repräsentativität und Verfügbarkeit der Lidar Wind- und Turbulenzdaten quantifiziert werden. Das Ergebnis der Bewertung wird dazu beitragen die anfänglich erwähnte Leistung und Verfügbarkeit von Lidar genauer zu beurteilen und um Fernerkundungsinstrumente besser in ein operationales Messnetzwerk integrieren zu können.</p> <p>[1] A. Rautenberg et al., MDPI Sensors doi:10.3390/s19102292 (2019)</p>

Untersuchungen zur Ableitung von Windböen aus Doppler-Lidar-Messungen

2021 ◽  
Author(s):  
Carola Detring ◽  
Eileen Päschke ◽  
Julian Steinheuer ◽  
Ronny Leinweber ◽  
Markus Kayser ◽  
...  
Keyword(s):  
Field Experiment ◽  
Temporal Variability ◽  
Surface Wind ◽  
Doppler Lidar ◽  
Signal To Noise ◽  
Observation Volume ◽  
Wind Gusts ◽  
Die Profile ◽  
Spatio Temporal

<p>Mit Hilfe von Doppler-Lidar-Systemen, lassen sich die Profile von Windgeschwindigkeit und -richtung in der Atmosphärischen Grenzschicht (AGS) auf der Basis klassischer Messstrategien wie einem VAD-24 Scan (Velocity Azimuth Display mit 24 Strahlrichtungen) zuverlässig bestimmen (Päschke et al., 2015). Für praktische Anwendungen von großem Interesse sind jedoch neben dem mittleren Windprofil auch kurzzeitige Fluktuationen des Windes, wie sie zum Beispiel in Verbindung mit Windböen auftreten. Untersuchungen zu Windböen waren ein wesentlicher Aspekt der Messkampagne FESSTVaL (Field Experiment on Sub-Mesoscale Spatio-Temporal Variability in Lindenberg, www.fesstval.de).</p><p>Eine Studie von Suomi et al. (2017) hat gezeigt, dass eine Ableitung von Windböen aus Doppler Lidar Messungen prinzipiell möglich ist. Allerdings wird mit üblichen Messstrategien die hierfür erforderliche hohe zeitliche Auflösung in der Ermittlung des Windvektors nicht erreicht, so dass mit Skalierungsansätzen unter Verwendung von in-situ Windmessungen eine Korrektur der aus den Lidar-Daten abgeleiteten Böenwerte erfolgen muss.</p><p>Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine alternative Messstrategie für Doppler-Lidar-Systeme vom Typ „Streamline“ (Halo Photonics) entwickelt und über mehrere Monate in den Jahren 2020/21 auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg des DWD erprobt. Die Böenableitung basiert auf einem sog. Continous Scan Mode (CSM); dabei werden die während einer vollständigen Rotation des Lidar-Scan-Kopfes kontinuierlich durchgeführten Messungen 10-11 Strahlrichtungen zugeordnet und die Radialwindgeschwindigkeiten wiederum mit dem VAD-Verfahren ermittelt. Die Dauer eines Scans beträgt etwa 3.4s, damit kann eine Zeitauflösung erreicht werden, die der heute weit verbreiteten Definition einer Windbö entspricht (3s gleitendes Mittel; WMO (2018)).</p><p>Diese neue Konfiguration bringt Herausforderungen an die Datenverarbeitung mit sich. Im CSM muss mit vergleichsweise wenigen Lidar-Pulsen pro Messstrahl gearbeitet werden, so dass klassische Ansätze der Datenfilterung (Signal-to-Noise Schwellwert, Consensus Filterung) nicht verwendet werden können. Es wird ein alternatives Verfahren für die Prozessierung der Lidar-Rohdaten vorgeschlagen. Die Ergebnisse der Ableitung sowohl des mittleren Windvektors als auch der jeweiligen maximalen Windbö in einem 10-Minuten-Mittelungsintervall werden mit Sonic-Messungen in 90m Höhe verglichen. </p><p>Im Rahmen des FESSTVaL Experimentes wurde diese neue Messkonfiguration an drei Standorten, die ein annähernd gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge von etwa 5 km bildeten, genutzt. Es werden Fallbeispiele aus der FESSTVaL Kampagne für die Variabilität im Auftreten von Windböen gezeigt.</p><p><strong>Referenzen</strong></p><p>Päschke, E., Leinweber, R., and Lehmann, V. (2015): An assessment of the performance of a 1.5 μm Doppler lidar for operational vertical wind profiling based on a 1-year trial, Atmos. Meas. Tech., 8, 2251–2266, https://doi.org/10.5194/amt-8-2251-2015</p><p>Suomi, I., Gryning, S.‐E., O'Connor, E.J. and Vihma, T. (2017): Methodology for obtaining wind gusts using Doppler lidar. Q.J.R. Meteorol. Soc., 143: 2061-2072. https://doi.org/10.1002/qj.3059</p><p>World Meteorological Organization (WMO) (2018): Measurement of surface wind. In Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, Volume I -Measurement of Meteorological Variables, No.8: 196–213, URL: https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10616 (accessed November 2021)</p>

scholarly journals Short-term variation in atmospheric constituents associated with local front passage observed by a 3-D coherent Doppler lidar and in-situ aerosol/gas measurements

2019 ◽  
Vol 3 ◽  
pp. 100043
Author(s):  
Hisahiro Takashima ◽  
Keiichiro Hara ◽  
Chiharu Nishita-Hara ◽  
Yasushi Fujiyoshi ◽  
Koichi Shiraishi ◽  
...  
Keyword(s):  
Doppler Lidar ◽  
Short Term ◽  
Coherent Doppler Lidar ◽  
Term Variation ◽  
Gas Measurements

scholarly journals A Method for Estimating the Turbulent Kinetic Energy Dissipation Rate from a Vertically Pointing Doppler Lidar, and Independent Evaluation from Balloon-Borne In Situ Measurements

2010 ◽  
Vol 27 (10) ◽  
pp. 1652-1664 ◽  
Author(s):  
Ewan J. O’Connor ◽  
Anthony J. Illingworth ◽  
Ian M. Brooks ◽  
Christopher D. Westbrook ◽  
Robin J. Hogan ◽  
...  
Keyword(s):  
Boundary Layer ◽  
Convective Boundary Layer ◽  
Sonic Anemometer ◽  
Horizontal Wind ◽  
Inertial Subrange ◽  
Doppler Velocity ◽  
Doppler Lidar ◽  
Convective Boundary ◽  
Dissipation Rates

Abstract A method of estimating dissipation rates from a vertically pointing Doppler lidar with high temporal and spatial resolution has been evaluated by comparison with independent measurements derived from a balloon-borne sonic anemometer. This method utilizes the variance of the mean Doppler velocity from a number of sequential samples and requires an estimate of the horizontal wind speed. The noise contribution to the variance can be estimated from the observed signal-to-noise ratio and removed where appropriate. The relative size of the noise variance to the observed variance provides a measure of the confidence in the retrieval. Comparison with in situ dissipation rates derived from the balloon-borne sonic anemometer reveal that this particular Doppler lidar is capable of retrieving dissipation rates over a range of at least three orders of magnitude. This method is most suitable for retrieval of dissipation rates within the convective well-mixed boundary layer where the scales of motion that the Doppler lidar probes remain well within the inertial subrange. Caution must be applied when estimating dissipation rates in more quiescent conditions. For the particular Doppler lidar described here, the selection of suitably short integration times will permit this method to be applicable in such situations but at the expense of accuracy in the Doppler velocity estimates. The two case studies presented here suggest that, with profiles every 4 s, reliable estimates of ε can be derived to within at least an order of magnitude throughout almost all of the lowest 2 km and, in the convective boundary layer, to within 50%. Increasing the integration time for individual profiles to 30 s can improve the accuracy substantially but potentially confines retrievals to within the convective boundary layer. Therefore, optimization of certain instrument parameters may be required for specific implementations.

Validation for ESA’s Aeolus Mission using the in-situ instruments at Canadian Arctic and reanalysis data

2020 ◽  
Author(s):  
Chih-Chun Chou ◽  
Paul Kushner ◽  
Zen Mariani ◽  
Peter Rodriguez ◽  
Christopher Fletcher
Keyword(s):  
Climate Change ◽  
Rayleigh Scattering ◽  
Line Of Sight ◽  
Horizontal Line ◽  
Vertical Resolution ◽  
Doppler Lidar ◽  
Depolarization Ratio ◽  
Ka Band ◽  
Wind Profiles

<p>ESA’s Aeolus mission, launched in August 2018, is designed to capture tropospheric wind profiles on a global scale in near-real time. The Aeolus lidar system, Atmospheric LAser Doppler INstrument (ALADIN), uses two modes of lidar-driven active scattering, Mie and Rayleigh scattering channels, to retrieve horizontal line-of-sight (HLOS) winds under both clear and cloudy conditions. ESA Aeolus aims to improve numerical weather and climate prediction, and to advance understanding of atmospheric circulation and weather systems.</p><p>This presentation will describe the Canadian validation activities for ESA Aeolus level-2B product, coordinated by the University of Toronto’s Department of Physics and Environment and Climate Change Canada (ECCC). The main focus is the evaluation of Aeolus overpasses using the fifth major global reanalysis produced by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF ERA5), and in-situ measurements at Environment and Climate Change Canada’s (ECCC) Iqaluit and Whitehorse supersites where several wind sensing instruments are co-located. It will compare the Aeolus HLOS winds with the profiles of wind vector from regular radiosonde launches, line-of-sight winds from Doppler Lidar and Ka-Band Radar. The accuracy of the Aeolus measurements is analyzed based on the type of scattering and natural variability of the wind on different levels.</p><p>The radiosonde measures the profiles of temperature, relative humidity, pressure, and winds twice a day with a vertical resolution of 15 m up to 30 km. On the other hand, the Mie scattered 1.5 micron Doppler Lidar retrieves LOS winds at every 3 m as well as aerosol backscatter and depolarization ratio every 5 minutes up to 3 km. Lastly, for every 10 minutes, the dual-polarization Doppler Ka-Band Radar measures the LOS wind speed and direction, cloud and fog backscatter, and depolarization ratio up to a range of 25 km with a vertical resolution of 10 m.</p><p>The wind profiles were directly compared to the profiles derived from other instruments or reanalysis. The vertical structure of the Aeolus winds, for example the wind shear, will also be compared and discussed. The validation results showed that Aeolus is providing some promising initial products and that the ERA5 reanalysis is the most consistent dataset with the Aeolus wind measurements from level-2B product.</p>

A comparison of ground-based Doppler lidar and airborne in situ wind observations above complex terrain

2003 ◽  
Vol 129 (588) ◽  
pp. 693-713 ◽  
Author(s):  
Dale R. Durran ◽  
Tomislav Maric ◽  
Robert M. Banta ◽  
Lisa S. Darby ◽  
R. Michael Hardesty
Keyword(s):  
Complex Terrain ◽  
Doppler Lidar

scholarly journals Measurements of Boundary Layer Profiles in an Urban Environment

2006 ◽  
Vol 45 (6) ◽  
pp. 821-837 ◽  
Author(s):  
Rod Frehlich ◽  
Yannick Meillier ◽  
Michael L. Jensen ◽  
Ben Balsley ◽  
Robert Sharman
Keyword(s):  
Boundary Layer ◽  
Urban Environment ◽  
Small Scale ◽  
Doppler Lidar ◽  
Stable Boundary Layers ◽  
Low Wind Speed ◽  
Velocity Statistics ◽  
In Situ Sensors ◽  
Scale Turbulence

Abstract Boundary layer profiles of mean temperature, velocity, and small-scale turbulence from in situ sensors, Doppler lidar, sodar, and rawinsondes are intercompared for an urban environment. A new Doppler lidar algorithm is presented to produce high-resolution profiles of small-scale velocity statistics. The lidar-derived profiles are robust and accurate even for challenging conditions such as stable boundary layers with a low-level jet, low turbulence, and low wind speed. Similar results are expected for other locations and convective conditions.

scholarly journals Measurements of Boundary Layer Profiles with In Situ Sensors and Doppler Lidar

2008 ◽  
Vol 25 (8) ◽  
pp. 1328-1340 ◽  
Author(s):  
Rod Frehlich ◽  
Yannick Meillier ◽  
Michael L. Jensen
Keyword(s):  
Boundary Layer ◽  
Large Scale ◽  
Energy Dissipation Rate ◽  
High Rate ◽  
Doppler Lidar ◽  
Stratified Turbulence ◽  
In Situ Sensors ◽  
The Impact ◽  
Turbulence Parameters

Abstract A new in situ measurement system and lidar processing algorithms were developed for improved measurements of boundary layer profiles. The first comparisons of simultaneous Doppler lidar–derived profiles of the key turbulence statistics of the two orthogonal horizontal velocity components (longitudinal and transverse) are presented. The instrument requirements for accurate observations of stably stratified turbulence were determined. A region of stably stratified low turbulence with constant gradients of temperature and velocity was observed above the nocturnal boundary layer using high-rate sensors. The important turbulence parameters were estimated, and turbulence spectra were consistent with new theoretical descriptions of stratified turbulence. The impact of removing the larger-scale velocity features in Doppler lidar estimates of turbulent velocity variance and length scales was investigated. The Doppler lidar–derived estimates of energy dissipation rate ε were found to be insensitive to spatial filtering of the large-scale atmospheric processes. The in situ and lidar-derived profiles were compared for the stable boundary layer in a suburban environment.

scholarly journals Ανάπτυξη έξυπνου επιχειρησιακού συστήματος 3-διάστατης σάρωσης laser για τη μέτρηση μετεωρολογικών παραμέτρων στην ατμόσφαιρα με συστήματα τηλεπισκόπησης laser (τεχνική 3D Lidar) με εφαρμογή στην ασφάλεια πτήσεων σε αεροδρόμια

2020 ◽  
Author(s):  
Αλέξανδρος Πανταζής
Keyword(s):  
Light Detection And Ranging ◽  
Civil Aviation ◽  
Doppler Lidar ◽  
International Civil Aviation Organization ◽  
Planetary Boundary Layer Height ◽  
Layer Height ◽  
Boundary Layer Height ◽  
3D Lidar ◽  
Visual Range

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη ενός έξυπνου συστήματος Light Detection And Ranging (LIDAR), τριών διαστάσεων (3D), με βασική εφαρμογή στη μέτρηση μετεωρολογικών και ατμοσφαιρικών παραμέτρων και εφαρμογές στις μεταφορές (Αεροπλοΐα-ασφάλεια των πτήσεων-διαχείριση εναέριας κυκλοφορίας, ναυσιπλοΐα, Διαστημική κλπ.), και τη Μετεωρολογία (μέτρηση ορατότητας και ταχύτητας ανέμου, καταγραφή ομίχλης κλπ.). Το σύστημα αυτό βασίζεται στην ενεργό τηλεπισκόπηση (active Remote Sensing) με χρήση δέσμης laser, προκειμένου να παρέχει πληροφορίες παραμέτρων της ατμόσφαιρας, εξάγοντας «προϊόντα» - πληροφορίες όπως: Kάθετη - Οριζόντια και Επικλινής Ορατότητα (3D Visibility or Slant Visual Range - SVR), Ορατότητα διαδρόμου Απο-Προσγείωσης αεροδρομίων (Runway VisualRange - RVR) ή οδικού δικτύου, διάταξη νεφών και οπτική γεωμετρία τους, εντοπισμός ατμοσφαιρικών στρωματώσεων και ακριβής κατηγοριοποίησή τους (πχ.υγρά αχλύς, ομίχλη), ύψος και πάχος αυτών, 3D καταγραφή του ύψους του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΑΟΣ ή Planetary Boundary Layer Height), αλλά και την ταχύτητα ανέμου σε 2D / 3D χωρίς την αναγκαστική χρήση επιπλέον ακριβού εξοπλισμού, όπως για παράδειγμα συστήματα Doppler lidar ή radar. Τα οφέλη μιας τέτοιας συσκευής lidar, ανάγονται στην ικανότητά της να πραγματοποιεί μετρήσεις ατμοσφαιρικών παραμέτρων ακόμα και σε ανομοιογενείς ατμόσφαιρες από απόσταση και σε 3D, σε αντίθεση με την υπάρχουσα συμβατική οργανολογία που στηρίζεται σε επιτόπιες (in situ) μετρήσεις. Ειδικότερα, με τον τρόπο αυτό, μπορεί να βοηθηθούν σημαντικά οι Ελεγκτες Εναερίου Κυκλοφορίας (ΕΕΚ) των αεροδρομίων και οι μετεωρολόγοι αυτών και έχει ως αποτέλεσμα, την σημαντική μείωση του συνολικού χρόνου πτήσης και της κατανάλωσης καυσίμων από τα αεροσκάφη, τη μείωση των εκπομπών CO2 και άλλων αέριων ή σωματιδιακών ρύπων στο περιβάλλον, αλλά την μείωση του κόστους πτήσης. Παράλληλα, το όλο εγχείρημα συμβάλλει στην βιώσιμη ανάπτυξη και την ενίσχυση της οικονομίας, καθώς και την αύξηση ικανότητας των αεροδρομίων να ελέγχουν περισσότερα αεροσκάφη στον ίδιο χρόνο. Η υλοποίηση μίας τέτοιας συσκευής στα αεροδρόμια, προβλέπεται να αλλάξει μελλοντικά, με θετικό τρόπο, τα όρια -προτυποποίηση των συσκευών ατμοσφαιρικών μετρήσεων από τον International Civil Aviation Organization (ICAO) ή / και International Maritime Organization (ΙΜΟ), Weather Meteorological Organization (WΜΟ), όπως στην περίπτωση μέτρησης της ορατότητας από scatterometer, όπου σήμερα γίνεται αποδεκτό ότι η συσκευή αυτή, μπορεί να παρέχει την ορατότητα σε αποστάσεις έως 10 km με επιτόπιες μετρήσεις, καθώς και τον αξιόπιστο, αλλά αρκετά κοστοβόρο και τοπικό σε χώρο και χρόνο, τρόπο εύρεσης ύψους του ΑΟΣ με την τεχνική των ραδιοβολίσεων. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναπτύσεται υπό το πρίσμα των παραπάνω εφαρμογών και με στόχο την ολοκληρωμένη έρευνα. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται η δομή της Ατμόσφαιρας και ορίζεται η ατμοσφαιρική ορατότητα. Συνεχίζοντας στο 2ο Κεφάλαιο αναφέρεται μία βιβλιογραφική έρευνα της τεχνικής lidar και εφαρμογών αυτής. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται οι υφιστάμενες τεχνικές μέτρησης της μετεωρολογικής ορατότητας, του ύψους του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΑΟΣ) και της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται το σύστημα lidar ως μετεωρολογική συσκευή, καθώς και το είδος (και το μήκος κύματος εκπομπής) του laser που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναφερόμενη συσκευή, με αντίστοιχες προσομοιώσεις. Ακολούθως,στο Κεφάλαιο 5, αναλύονται οι αναπτυχθέντες τεχνικές και οι αντίστοιχοι αλγόριθμοι επεξεργασίας σημάτων lidar στο πλαίσιο του Διδακτορικού αυτού, ενώ, τέλος, στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα βασικότερα συμπεράσματα και προοπτικές όλων των ανωτέρω. Τέλος, στο Παράρτημα καταγράφονται οι κυριότερες συσκευές μέτρησης ατμοσφαιρικών παραμέτρων, που είναι διαθέσιμες σήμερα, παγκοσμίως.

scholarly journals Cold smoke: smoke-induced density currents cause unexpected smoke transport near large wildfires

2015 ◽  
Vol 15 (13) ◽  
pp. 17945-17966
Author(s):  
N. P. Lareau ◽  
C. B. Clements
Keyword(s):  
Boundary Layer ◽  
Propagation Speed ◽  
Current Speed ◽  
Solar Heating ◽  
Density Current ◽  
Doppler Lidar ◽  
Density Currents ◽  
Smoke Transport ◽  
Smoke Layer

Abstract. First observations of smoke-induced density currents originating from large wildfires are presented. Using a novel mobile Doppler LiDAR and additional in situ measurements we document a deep (~ 2 km) smoke-filled density current that propagates more than 25 km at speeds up to 4.5 m s−1 near a large forest fire in northern California. Based on these observations we show that the dynamics governing the spread of the smoke layer result from differential solar heating between the smoke-filled and smoke-free portions of the atmospheric boundary layer. A calculation of the theoretical density current speed agrees well with the observed propagation speed. Additional LiDAR and photographic documentation of other smoke-filled density currents demonstrate that these previously unknown phenomena are relatively common near large wildfires and can cause severe and unexpected smoke inundation of populated areas.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document