Structure Analysis of the Sea Breeze Based on Doppler Lidar and Its Impact on Pollutants

The Doppler lidar system can accurately obtain wind profiles with high spatiotemporal resolution, which plays an increasingly important role in the research of atmospheric boundary layers and sea–land breeze. In September 2019, Doppler lidars were used to carry out observation experiments of the atmospheric wind field and pollutants in Shenzhen. Weather Research and Forecasting showed that the topography of Hongkong affected the sea breeze to produce the circumfluence flow at low altitudes. Two sea breezes from the Pearl River Estuary and the northeast of Hong Kong arrived at the observation site in succession, changing the wind direction from northeast to southeast. Based on the wind profiles, the structural and turbulent characteristics of the sea breeze were analyzed. The sea breeze front was accurately captured by the algorithm based on fuzzy logic, and its arrival time was 17:30 on 25 September. The boundary between the sea breeze and the return flow was separated by the edge enhancement algorithm. From this, the height of the sea breeze head (about 1100 m) and the thickness of the sea breeze layer (about 700 m) can be obtained. The fluctuated height of the boundary and the spiral airflow nearby revealed the Kelvin–Helmholtz instability. The influence of the Kelvin–Helmholtz instability could be delivered to the near-surface, which was verified by the spatiotemporal change of the horizontal wind speed and momentum flux. The intensity of the turbulence under the control of the sea breeze was significantly lower than that under the land breeze. The turbulent intensity was almost 0.1, and the dissipation rate was between 10−4 and 10−2 m2·s−3 under the land breeze. The turbulent intensity was below 0.05, and the dissipation rate was between 10−5 and 10−3 m2·s−3 under the sea breeze. The turbulent parameters showed peaks and large gradients at the boundary and the sea breeze front. The peak value of the turbulent intensity was around 0.3, and the dissipation rate was around 0.1 m2·s−3. The round-trip effect of sea–land breeze caused circulate pollutants. The recirculation factor was maintained at 0.5–0.6 at heights where the sea and land breeze alternately controlled (below 600 m), as well as increasing with a decreasing duration of the sea breeze. The factor exceeded 0.9 under the control of the high-altitude breeze (above 750 m). The convergence and rise of the airflow at the front led to collect pollutants, causing a sharp decrease in air quality when the sea breeze front passed.

Vergleich von Windmessungen verschiedener Doppler Lidarscanstrategien und zweier Lidarmarken mit einem Ultraschallanemometer

<p>Die Technologie hat einen Punkt erreicht an dem bodenbasierte Fernerkundungsinstrumente die Möglichkeit haben die räumliche und zeitliche Datendichte im Vergleich zu konventionellen Instrumenten stark zu erhöhen. Das bietet die große Chance das Verständnis über einzelne Prozesse zu verbessern und die Vorhersagefähigkeiten von numerischen Wettermodellen zu erhöhen und ihre Ungenauigkeiten zu verringern. Das Ziel der Studie ist es diese Messungenauigkeiten und die Nutzbarkeit von Doppler Lidar Systemen für diese Zwecke zu überprüfen. Die Daten wurden während der FESST@MOL 2020 Messkampagne, organisiert von dem Deutschen Wetterdienst (DWD) und initiiert von dem Hans-Ertel-Zentrum für Wetterforschung (HErZ), auf dem Grenzschichtmessfeld (GM) des DWD in Falkenberg (Tauche), Deutschland erhoben. Während der Messkampagne waren insgesamt acht Doppler Lidare der Marken Halo Photonics und Leosphere in verschiedenen Betriebsmodi aktiv. In dieser Arbeit vergleichen wir die Ergebnisse von Triple und Single Lidar Setups, von Geräten der Marke Halo Photonics und Triple Lidar Setups von Geräten der Marke Leosphere mit den Messungen eines Ultraschallanemometers, angebracht auf einer Höhe von 90 m an dem 99 m hohem, mit Instrumenten bestückten, Messturm in Falkenberg. Der Fokus der Betriebsmodi liegt auf verschiedenen virtuellen Turm (VT) Messungen und Velocity Azimuth Display (VAD) Messungen mit den Mittelungszeiten von zehn und dreißig Minuten des mittleren horizontalen Windes. Die Diskrepanz der Messwerte zwischen VT und VAD Messungen nimmt mit steigender Höhe über dem Boden zu.</p>

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

<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>

FESSTVaL: Field Experiment on sub-mesoscale spatio-temporal variability in Lindenberg – Übersicht der Messkampagne und erste Ergebnisse

<p>Die FESSTVaL-Messkampagne (Field Experiment on sub-mesoscale spatio-temporal variability in Lindenberg) wurde im Sommer 2021 als eine große Kooperation mit gut zwei Dutzend Forschenden in der Umgebung des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg des Deutschen Wetterdienstes durchgeführt. Im Rahmen des Projektes stehen sommerliche Wetterereignisse im Fokus, um die Entstehung von „Cold Pools“ und Windböen in der konvektiven Grenzschicht sowie deren Wechselwirkung besser zu verstehen. Aufgrund der kleinskaligen Natur dieser Wetterphänomene, können sie nur bedingt von konventionellen Bodenmessungen erfasst werden, können aber nichts-desto-trotz großen Schaden anrichten. Einzigartig für diese Kampagne ist daher die hohe Dichte der durchgeführten Bodenmessungen mit über 100 bodennahen Messungen hinsichtlich Temperatur und Druck und 20 automatischen Wetterstationen sowie ein dichtes Bodenfeuchtemessnetz. Ein X-Band Radar und mehrere Energiebilanzstationen wurden ebenfalls eingesetzt. Des Weiteren wurden in Kooperation mit externen Partnern am KIT und DLR neun Doppler-Lidar-Systeme für Messungen des Windprofils und von Turbulenzvariablen bis in mehrere Kilometer Höhe koordiniert getestet. Durch ein Messnetz von vier Mikrowellenradiometern und weiteren „Profilern“ wurden thermodynamische Eigenschaften der Grenzschicht sowie von Wolken und Niederschlag gemessen. Zusätzlich dazu wurden Messflüge mit unbemannten und ferngesteuerten Flugzeugen durch die Universität Tübingen und das DLR durchgeführt, um weitere Informationen in der Vertikalen zu erzielen und um die bodengebundene Fernerkundungssysteme zu evaluieren.</p> <p>Als Ergänzung zu diesen Messungen wird im Rahmen des Projektes der Informationsgewinn durch ein Citizen Science Messnetzes untersucht. Die Messungen werden außerdem durch hoch-aufgelöste large-eddy Simulationen (ICON-LES) ergänzt. Die Ergebnisse des Projektes sollen unter anderem dazu dienen, die Darstellung solcher kleinskaligen Prozesse in der numerischen Wettervorhersage zu verbessern und neue Messstrategien zu definieren. Die Datenprodukte der Kampagne werden unter dem FAIR-Prinzip behandelt und werden über einer Plattform am Integrated Climate Data Center der Universität Hamburg zur Verfügung gestellt. Dieser Beitrag wird die Messstrategie von FESSTVaL näher beleuchten, erste Erkenntnisse und Ergebnisse zusammenfassen sowie einen Einblick in die Datenverfügbarkeit und deren Verwertungsperspektive geben.</p>

Neue Einblicke in Strömungsphänomene im Gewitterumfeld durch gezielte Messungen mittels flugzeuggetragenem Doppler-Lidar

<p>Flugzeuggetragene Doppler-Lidar Messungen stellen ein wertvolles Werkzeug für die meteorologische Forschung dar, da sie gezielte und räumlich hoch aufgelöste Beobachtungen atmosphärischer Strömungsphänomene ermöglichen.</p> <p>In den letzten Jahren wurde vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit der TU Braunschweig ein neues flugzeuggetragenes Doppler-Lidar System für den Einsatz an Bord des Forschungsflugzeugs Dornier 128-6 (Rufzeichen D-IBUF) entwickelt. Das System besteht aus einem Lockheed Martin WindTracer WTX Doppler-Lidar und einem speziell für das Flugzeug von der Arges GmbH entwickelten 2-Achsen-Scanner. Im Vergleich zu bereits existierenden flugzeuggetragenen Doppler-Lidaren bietet das neue System eine höhere räumliche Auflösung und mehr Flexibilität für gezielte Messungen, u.a. aufgrund der niedrigen Fluggeschwindigkeit und VFR-Fähigkeit des Trägerflugzeugs Dornier 128.</p> <p>Im Sommer 2021 wurde unter Führung des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-TRO) des KIT die <em>Swabian MOSES</em>-Feldmesskampagne als Teil des Helmholtz-Verbundvorhabens MOSES im Südwesten Deutschlands durchgeführt, an der sich 10 deutsche wissenschaftliche Einrichtungen beteiligten. Hierbei fanden erste ausführliche Messungen mit dem neuen flugzeuggetragenen System statt. Eines der Ziele der Messkampagne ist die Untersuchung hochreichender konvektiver Systeme, wie sie häufig zwischen dem Schwarzwald und der Schwäbischen Alb im Südwesten Deutschlands beobachtet werden.</p> <p>Der Beitrag stellt Ergebnisse vor, die durch die Kombination aus flugzeuggestützten und bodengebundenen Lidar-Messungen erzielt wurden. Die durch das Messkonzept ermöglichten Beobachtungen sollen Einblicke in Strömungsprozesse im Gewitterumfeld geben. Nach einem Überblick über die durchgeführten Messungen wird die erreichte Messqualität des flugzeuggetragenen Doppler-Lidar validiert. Der Vergleich mit Messungen von bodengebundenen Doppler-Lidar an drei Standorten ergibt dabei eine gute Übereinstimmung. Es zeigt sich, dass die hochauflösenden, linienhaften flugzeuggetragenen Doppler-Lidar Messungen in der Lage sind, einzigartige Einblicke in die Strömungsdynamik zu liefern. Der Einfluss der Orographie auf die Strömung ist eindeutig nachweisbar, sowohl lokale Talzirkulationen als auch Gebirgsleeeffekte sind zu beobachten. Die Kombination von flugzeuggestützten und bodengebundenen Doppler-Lidar Messungen ermöglicht es zudem, die Repräsentativität der bodengebundenen Messungen zu beurteilen. Eine weitere Kombination mit Radarbeobachtungen liefert den Kontext für die mit dem Strömungsfeld assoziierte Gewitteraktivität. Somit erweist sich die Kombination von flugzeuggetragenem Doppler-Lidar mit bodengebundenen Fernerkundungsnetzwerken als geeignetes Verfahren, um neue Einblicke in Strömungsphänomene im Gewitterumfeld zu gewinnen. Abschließend wird das weitere Potenzial der Doppler-Lidar Messungen diskutiert und mögliche zukünftige Aktivitäten aufgezeigt.</p>