Beobachtung von Windprofilen mittels Wolkenradar und Dopplerlidar 

2021 ◽  
Author(s):  
Bernhard Pospichal ◽  
Marcus Müller ◽  
Stefan Kneifel
Keyword(s):  
Research Infrastructure ◽  
Trace Gas ◽  
Aerosol Cloud ◽  
Cloud Evolution

<p>Die Messung des 3D-Windprofils erfordert – abgesehen von in-situ Messungen – ein aktives Fernerkundungsverfahren (meist Radar oder Lidar), welches mit geneigten Strahlen unter verschiedenen, mindestens drei Azimutwinkeln Pulse ausstrahlt („Doppler beam swinging“). Aus den gemessenen Doppler-Radialgeschwindigkeiten entlang der Strahlen kann dann das dreidimensionale Windfeld abgeleitet werden. Dies ist nur möglich, sofern Partikel vorhanden sind, die bei der gegebenen Wellenlänge ein Rückstreusignal erzeugen.</p> <p>Bereits seit mehreren Jahrzehnten sind Radar-Windprofiler im Einsatz, die bei Wellenlängen zwischen 50 und 1000 MHz arbeiten und mittels Bragg-Streuung an Fluktuationen des Brechungsindex ein Rückstreusignal erhalten. Durch die lange Wellenlänge sind große Antennen erforderlich, was dazu führt, dass die Geräte nicht flexibel einsetzbar sind.</p> <p>Innerhalb des Netzwerks der europäischen Forschungsinfrastruktur ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gas Research Infrastructure) sind mehrere Standorte für Wolkenbeobachtungen mit einem scannenden Wolkenradar und einem Doppler-Windlidar ausgestattet, die auch zur Beobachtung von Windprofilen in der Troposphäre herangezogen werden können. Diese Messgeräte ergänzen sich, da das Lidar besonders in der Grenzschicht bzw. unterhalb von Wolken messen kann. Das Wolkenradar hingegen liefert Signale hauptsächlich aus Wolkenschichten, von welchen das Lidar aufgrund der starken Extinktion der Strahlung in Wolken keine Information erhält. Zusätzlich können beim Wolkenradar in der warmen Jahreszeit auch Insekten als Tracer verwendet werden, die häufig bis in Höhen von 3-4 km beobachtet werden können. </p> <p>Diese Präsentation zeigt anhand von Beobachtungen über mehr als zwei Jahre an der Messplattform JOYCE (Jülich Observatory for Cloud Evolution) eine neue Methode zur Kombination der Windprofile aus Wolkenradar und Lidar. Neben einer Betrachtung der Genauigkeit, sowie möglicher Fehlerquellen, werden auch die generellen Bedingungen für die Anwendung der Methode diskutiert. Es werden Anwendungsbeispiele gezeigt, wie diese kombinierten Windprofile zur Validierung von Satellitenbeobachtungen (z.B. Aeolus) oder zur Evaluation von atmosphärischen Modellen genutzt werden können. </p> <p> </p>

Das ACTRIS-Kalibrierzentrum für Stickoxid-Messungen am Forschungszentrum Jülich

2021 ◽  
Author(s):  
Max Gerrit Adam ◽  
Robert Wegener ◽  
Franz Rohrer ◽  
Ralf Tillmann ◽  
Astrid Kiendler-Scharr ◽  
...  
Keyword(s):  
Phase Shift ◽  
Diode Laser ◽  
Trace Gases ◽  
In Situ Measurements ◽  
Tunable Diode Laser ◽  
Research Infrastructure ◽  
Aerosol Cloud ◽  
Reactive Trace Gases

<p>Langzeitmessungen der atmosphärischen Zusammensetzung sind von zentraler Bedeutung, um die Atmosphärenchemie und den Klimawandel zu verstehen. ACTRIS (Aerosol, Cloud and Trace Gases Research Infrastructure) hat sich zum Ziel gesetzt, ein europaweites Netzwerk von Beobachtungsstationen aufzubauen, die qualitativ hochwertige Daten und Informationen zu kurzlebigen atmosphärischen Bestandteilen liefern und für Nutzer auf der ganzen Welt offen zugänglich machen. Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO<sub>2</sub>), die sogenannten Stickoxide (NO<sub>x</sub>), spielen eine Schlüsselrolle in der Atmosphärenchemie, da sie zur Bildung von troposphärischem Ozon, Smog und saurem Regen beitragen. Darüber hinaus ist die kurz- und langfristige Exposition mit NO<sub>2</sub> mit negativen Auswirkungen auf das menschliche Atmungssystem in Verbindung gebracht worden. Die Hauptquellen von NO<sub>x</sub> in bewohnten Gebieten sind Verbrennungsprozesse, z.B. von Fahrzeugen und bei industriellen Aktivitäten. NO<sub>x</sub>-Messungen werden derzeit meist indirekt über Chemilumineszenz-Instrumente durchgeführt, die Korrekturen für Feuchte und Ozon erfordern. Jüngste technologische Fortschritte (z. B. Cavity Attenuated Phase Shift, CAPS, oder Tunable Diode Laser Systeme) erlauben die direkte Detektion von NO<sub>x</sub>-Komponenten, was Interferenzen vermeidet, die durch die Umwandlung von NO<sub>2</sub> in NO hervorgerufen werden. Messvergleiche zeigen aber, dass auch hier neben bekannten Problemen wie Reaktionen in den Einlassleitungen auch unerwartete Artefakte beobachtet werden können. Messvergleiche aber zeigen auch hier, dass neben bekannten Problemen wie Reaktionen in den Einlassleitungen auch unerwartete auftreten können. Um genaue und präzise NO<sub>x</sub> Messungen mit einer Vielzahl von NO<sub>x</sub>-Messsystemen in verschiedenen Stationen sicherzustellen, müssen neben der Standardisierung von Messprotokollen und Kalibrierungsverfahren auch an zentraler Stelle durch Messvergleiche und Auditierungen Unterschiede der verschiedenen Messverfahren dokumentiert werden.</p> <p>ACTRIS setzt sich aus central facilities (CFs) und national facilities (NFs) zusammen. Die NFs bilden den explorativen und beobachtenden Teil der Forschungsinfrastruktur. Die CFs sind von grundlegender Bedeutung für die Bereitstellung von harmonisierten und hochpräzisen Daten und stellen eine Vielzahl von Dienstleistungen zur Verfügung. Eines der CFs ist das Reactive Trace Gases In Situ Measurements (CiGas), das für die Überwachung der Datenqualität reaktiver Spurengase verantwortlich ist. Für die Qualitätssicherung (QA) und Qualitätskontrolle (QC) der Stickoxidmessungen an den NFs innerhalb von CiGas ist das Forschungszentrum Jülich (FZJ) zuständig, das auch das World Calibration Center (WCC) für Stickoxide im Global Atmosphere Watch (GAW) Netzwerk beheimatet. Seine Aufgaben umfassen i) die Verbindung von Spurengasmessungen von ACTRIS mit denen anderer Netzwerke, ii) die Beratung und Organisation von Schulungen, iii) die Bereitstellung von Mess- und Auswerteverfahren, iv) das Labelling und die Auditierung von NFs, v) die Implementierung neuer wissenschaftlicher und technologischer Entwicklungen.</p> <p>Es ist vorgesehen, bis 2025 ein zertifiziertes und funktionsfähiges Netzwerk von ACTRIS-Stationen aufzubauen. Es soll der wissenschaftlichen Gemeinschaft qualitativ hochwertige Daten liefern, die die Grundlage für fundierte Entscheidungen der politischen Entscheidungsträger bilden können.</p>

scholarly journals Level 2 processing for the imaging Fourier transform spectrometer GLORIA: derivation and validation of temperature and trace gas volume mixing ratios from calibrated dynamics mode spectra

2015 ◽  
Vol 8 (6) ◽  
pp. 2473-2489 ◽  
Author(s):  
J. Ungermann ◽  
J. Blank ◽  
M. Dick ◽  
A. Ebersoldt ◽  
F. Friedl-Vallon ◽  
...  
Keyword(s):  
Fourier Transform ◽  
Horizontal Resolution ◽  
Trace Gas ◽  
Radiative Transfer Model ◽  
Transfer Model ◽  
Ionization Mass ◽  
Fourier Transform Spectrometer ◽  
Upper Troposphere ◽  
Mixing Ratios

Abstract. The Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere (GLORIA) is an airborne infrared limb imager combining a two-dimensional infrared detector with a Fourier transform spectrometer. It was operated aboard the new German Gulfstream G550 High Altitude LOng Range (HALO) research aircraft during the Transport And Composition in the upper Troposphere/lowermost Stratosphere (TACTS) and Earth System Model Validation (ESMVAL) campaigns in summer 2012. This paper describes the retrieval of temperature and trace gas (H2O, O3, HNO3) volume mixing ratios from GLORIA dynamics mode spectra that are spectrally sampled every 0.625 cm−1. A total of 26 integrated spectral windows are employed in a joint fit to retrieve seven targets using consecutively a fast and an accurate tabulated radiative transfer model. Typical diagnostic quantities are provided including effects of uncertainties in the calibration and horizontal resolution along the line of sight. Simultaneous in situ observations by the Basic Halo Measurement and Sensor System (BAHAMAS), the Fast In-situ Stratospheric Hygrometer (FISH), an ozone detector named Fairo, and the Atmospheric chemical Ionization Mass Spectrometer (AIMS) allow a validation of retrieved values for three flights in the upper troposphere/lowermost stratosphere region spanning polar and sub-tropical latitudes. A high correlation is achieved between the remote sensing and the in situ trace gas data, and discrepancies can to a large extent be attributed to differences in the probed air masses caused by different sampling characteristics of the instruments. This 1-D processing of GLORIA dynamics mode spectra provides the basis for future tomographic inversions from circular and linear flight paths to better understand selected dynamical processes of the upper troposphere and lowermost stratosphere.

Photoacoustic spectroscopy for trace gas detection with cryogenic and room-temperature continuous-wave quantum cascade lasers

Open Physics ◽  
2010 ◽  
Vol 8 (2) ◽  
Author(s):  
Virginie Zeninari ◽  
Agnès Grossel ◽  
Lilian Joly ◽  
Thomas Decarpenterie ◽  
Bruno Grouiez ◽  
...  
Keyword(s):  
Detection Limit ◽  
Room Temperature ◽  
Quantum Cascade Lasers ◽  
Gas Detection ◽  
Trace Gas ◽  
Atmospheric Gases ◽  
Trace Gas Detection ◽  
Quantum Cascade ◽  
Cascade Lasers

AbstractThe main characteristics that a sensor must possess for trace gas detection and pollution monitoring are high sensitivity, high selectivity and the capability to perform in situ measurements. The photacoustic Helmholtz sensor developed in Reims, used in conjunction with powerful Quantum Cascade Lasers (QCLs), fulfils all these requirements. The best cell response is # 1200 V W−1 cm and the corresponding ultimate sensitivity is j 3.3 × 10−10 W cm−11 Hz−11/2. This efficient sensor is used with mid-infrared QCLs from Alpes Lasers to reach the strong fundamental absorption bands of some atmospheric gases. A first cryogenic QCL emitting at 7.9 μm demonstrates the detection of methane in air with a detection limit of 3 ppb. A detection limit of 20 ppb of NO in air is demonstrated using another cryogenic QCL emitting in the 5.4 μm region. Real in-situ measurements can be achieved only with room-temperature QCLs. A room-temperature QCL emitting in the 7.9 μm region demonstrates the simultaneous detection of methane and nitrous oxide in air (17 and 7 ppb detection limit, respectively). All these reliable measurements allow the estimated detection limit for various atmospheric gases using quantum cascade lasers to be obtained. Each gas absorbing in the infrared may be detected at a detection limit in the ppb or low-ppb range.

Operationelle in-situ Messungen von Luftschadstoffen und Klimagasen im nationalen und internationalen Kontext

2021 ◽  
Author(s):  
Martin Steinbacher ◽  
Christoph Hueglin ◽  
Stefan Reimann ◽  
Brigitte Buchmann ◽  
Lukas Emmenegger
Keyword(s):  
Trace Gases ◽  
Monitoring And Evaluation ◽  
Research Infrastructure ◽  
Observation System ◽  
Atmospheric Gases ◽  
Evaluation Programme ◽  
Infrastructure Network

<p>Im Unterschied zu Forschungsinfrastrukturen in anderen Disziplinen, zeichnen sich Forschungsinfrastrukturen für Umweltbeobachtungen in der Regel durch langfristige Messungen zahlreicher Parameter mit verschiedenen Instrumenten an unterschiedlichen Orten aus. Bodengestützte, atmosphärische Beobachtungen von Luftschadstoffen und Klimagasen können unterschiedliche Ziele verfolgen, wie zum Beispiel die Überwachung regulatorischer Massnahmen und die Einhaltung von Grenzwerten, die wissenschaftliche Untersuchung von Variabilitäten und Trends, die Validierung von Modellrechnungen und Satellitenbeobachtungen oder die Früherkennung von neu auftretenden Substanzen. Die Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung müssen nicht nur dem dezentralen Charakter der Beobachtungen Rechnung tragen, sondern auch sicherstellen, dass die der Fragestellung angepassten Datenqualitätsziele erreicht werden. Zusätzlich müssen Beobachtungen, die Teil von mehreren Messnetzen und Infrastrukturen sind, verschiedene Kriterien erfüllen, z.B. im Hinblick auf das Normal der Rückführbarkeit, die Präzision, aber auch bezüglich Dokumentation und Bereitstellung der Resultate in Datenbanken.</p> <p>Die Präsentation gibt einen Überblick über die langfristigen Luftqualitätsmessungen in der Schweiz im Rahmen des Nationalen Beobachtungsnetzes für Luftfremdstoffe (NABEL), ihre Einbettung in das European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP), die Kooperation mit den europäischen Forschungsinfrastrukturen ICOS (Integrated Carbon Observation System) und ACTRIS (Aerosols, Clouds, and Trace gases Research Infrastructure Network), und die Zusammenarbeit in globalen Aktivitäten wie dem Advanced Global Atmospheric Gases Experiment (AGAGE) zur kontinuierlichen Messung von klimawirksamen und ozonabbauenden Substanzen und dem von der Weltorganisation für Meteorologie (WMO) koordinierten Global Atmosphere Watch (GAW) Programm.</p>

scholarly journals Normalized Hail Particle Size Distributions from the T-28 Storm-Penetrating Aircraft

2019 ◽  
Vol 58 (2) ◽  
pp. 231-245 ◽  
Author(s):  
Paul R. Field ◽  
Andrew J. Heymsfield ◽  
Andrew G. Detwiler ◽  
Jonathan M. Wilkinson
Keyword(s):  
Particle Size ◽  
Water Content ◽  
Size Distribution ◽  
Optical Probe ◽  
Particle Size Distributions ◽  
South Dakota School ◽  
Significant Damage ◽  
In Situ Observations ◽  
Cloud Evolution

AbstractHail and graupel are linked to lightning production and are important components of cloud evolution. Hail can also cause significant damage when it precipitates to the surface. The accurate prediction of the amount and location of hail and graupel and the effects on the other hydrometeor species depends upon the size distribution assumed. Here, we use ~310 km of in situ observations from flights of the South Dakota School of Mines and Technology T-28 storm-penetrating aircraft to constrain the representation of the particle size distribution (PSD) of hail. The maximum ~1-km hail water content encountered was 9 g m−3. Optical probe PSD measurements are normalized using two-moment normalization relations to obtain an underlying exponential shape. By linking the two normalizing moments through a power law, a parameterization of the hail PSD is provided based on the hail water content only. Preliminary numerical weather simulations indicate that the new parameterization produces increased radar reflectivity relative to commonly used PSD representations.

scholarly journals Characterization of the cloud microphysical and optical properties and aerosol-cloud interaction in the Arctic from in situ ground-based measurements during the CLIMSLIP-NyA campaign, Svalbard

2017 ◽  
Author(s):  
Gwennolé Guyot ◽  
Frans Olofson ◽  
Peter Tunved ◽  
Christophe Gourbeyre ◽  
Guy Fevbre ◽  
...  
Keyword(s):  
Indirect Effect ◽  
Climate Models ◽  
Droplet Diameter ◽  
Arctic Region ◽  
The Arctic ◽  
Blowing Snow ◽  
Aerosol Cloud ◽  
Arctic Aerosol

Abstract. This study will focus on cloud microphysical and optical characterization of three different types of episodes encountered during the ground based CLIMSLIP-NyA campaign performed in Ny-Alesund, Svalbard: the Mixed Phase Cloud (MPC), snow precipitation and Blowing Snow (BS) events. These in situ cloud measurements will be combined with aerosol measurements and air mass backtrajectory simulations to qualify and parameterize the arctic aerosol cloud interaction and to assess the influence of anthropogenic pollution transported into the Arctic. The results show a cloud bimodal distribution with the droplet mode at 10 µm and the crystal mode centered at 250 µm, for the MPC cases. The precipitation cases presents a crystal distribution centered around 350 µm with mostly of dendritic shape. The BS cases show a higher concentration but smaller crystals, centered between 150 and 200 µm, with mainly irregular crystals. A polluted case, where aerosol properties are influenced by anthropogenic emission from Europe and East Asia, was compared to a clean case with local aerosol sources. These anthropogenic emissions seem to cause higher Black Carbon, aerosol and droplet concentrations, a more pronounced accumulation mode, smaller droplet sizes and a higher activation fraction Fa. Moreover, the activation diameter decreases as the droplet diameter increases and Fa increases showing that smaller particles are activated and droplets grow when the aerosol number decreases. This is in agreement with the first (Twomey) and second (Albrecht) aerosol indirect effect. The quantification of the variations of droplet concentration and size leads to IE (Indirect Effect) and NE (Nucleation Efficiency) coefficients values around 0.2 and 0.43, respectively. These values are close to those found by other studies in the arctic region which confirms these parameterizations of arctic aerosol-cloud interaction in climate models.

Age of Air in the Stratosphere from Observations

2020 ◽  
Author(s):  
Marianna Linz ◽  
Benjamin Birner ◽  
Alan Plumb ◽  
Edwin Gerber ◽  
Florian Haenel ◽  
...  
Keyword(s):  
Carbon Dioxide ◽  
Nitrous Oxide ◽  
Sulfur Hexafluoride ◽  
Trace Gases ◽  
Trace Gas ◽  
Calculation Methods ◽  
Stratospheric Circulation ◽  
Tracer Age ◽  
Compact Relationship

<p>Age of air is an idealized tracer often used as a measure of the stratospheric circulation. We will show how to quantitatively relate age to the diabatic circulation and the adiabatic mixing. As it is an idealized tracer, age cannot be measured itself and must be inferred from other tracers. Typically, the two primary trace gases used are sulfur hexafluoride and carbon dioxide. Other tracers have a compact relationship with age, however, and can also be used to calculate age. We will discuss a range of tracer measurements from both satellites and in situ, including sulfur hexafluoride, carbon dioxide, nitrous oxide, methane, and the ratio of argon to nitrogen. We will compare the age derived from these different species, including different calculation methods and caveats, and compare with modeled ideal age and trace gas concentrations. We conclude by showing the strength of the diabatic circulation and the adiabatic mixing calculated from these trace gas calculations.</p>

Measurement Study of Turbulence in a Tropopause Fold

2020 ◽  
Author(s):  
Jens Söder ◽  
Michael Gerding ◽  
Franz-Josef Lübken
Keyword(s):  
Spatial Scales ◽  
Shear Zones ◽  
Trace Gas ◽  
Turbulence Measurement ◽  
Velocity Fluctuations ◽  
Multiple Spatial Scales ◽  
Stratospheric Intrusion ◽  
Upper Level ◽  
Classical Picture

<p>Tropopause folds are known as regions of intense trace gas exchange between the troposphere and the stratosphere. They occur in upper-level fronts and it is known since the 1970s that turbulence plays a major role in their formation. However, only a limited number of turbulence measurements under these conditions exist. In this study, we present a turbulence sounding in an upper-level front measured with the balloon-borne instrument LITOS (Leibniz-Institute Turbulence Observations in the Stratosphere). This instrument infers turbulent kinetic energy dissipation rates from velocity fluctuations at the Taylor microscale. By using a radiosonde on board of the same balloon, we can observe wind fluctuations across multiple spatial scales.</p><p>In the classical picture of a tropopause fold from the 1970s, we expect turbulence to occur in both shear zones above and below the tropopause jet. For the time of our measurement on 06 August 2016, a similar turbulence distribution is expected due to low Richardson numbers in the respective areas shown by the ECMWF-IFS. Our in-situ turbulence measurement with LITOS, however, shows a different picture: we find turbulence to occur in the upper shear zone above the jet but not in the lower one located in the stratospheric intrusion. In our contribution, we will examine potential reasons for this difference between theoretical expectations and the observation. Furthermore, we will discuss possible implications of the lack of turbulence in the stratospheric intrusion on the exchange of trace gases across the tropopause.</p>

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