Nye lidar-instrumenter kigger mod himlen efter spor om vejr og klima

Forskere har udviklet et sæt diode-baserede lidar-instrumenter, der kan hjælpe med at udfylde vigtige huller i meteorologiske observationer og give et spring i forståelse, modellering og forudsigelse af vejr og klima. Instrumenterne er særligt velegnede til indsigt i atmosfærisk dynamik på mesoskala, et størrelsesområde svarende til arealet af en lille by op til en amerikansk stat.

Samarbejdspartnere fra Montana State University (MSU) i Bozeman og National Center for Atmospheric Research (NCAR) i Boulder, Colo. vil diskutere arbejdet under The Optical Society's Optical Sensors and Sensing Congress, som finder sted fra den 25.-27. juni i San Jose, Californien, under Sensors Expo 2019.

Indtil nu, holdet har skabt fem diode-baserede mikro-puls differential absorption lidar (DIAL) instrumenter – MPD instrumenter, for kort - til profilering af vanddamp i den nedre troposfære, det område af atmosfæren, hvor der er mest vejr. Diodelaserbaserede instrumenter fungerer i bølgelængdeintervallet fra 650 til 1, 000 nanometer, mest inden for det infrarøde spektrum. Instrumenterne kan bruges både dag og nat, stort set uden opsyn, uden at risikere øjenskader på mennesker.

"Netværket af fem vanddamp MPD-instrumenter blev indsat til atmosfærisk strålingsmåling Southern Great Plains atmosfæriske observatorium i midten af ​​april, " Teammedlem Catharine Bunn sagde. "Fra dette tre-måneders felteksperiment vil vi få indsigt i, hvordan vejrudsigter kan blive påvirket af kontinuerlige MPD-målinger af atmosfærisk vanddamp.

Udfylde overvågningshuller

Flere rapporter fra National Academies of Sciences, Engineering and Medicine og andre ekspertgrupper i løbet af det sidste årti har identificeret et kritisk behov for vertikale måleprofiler af fugtighed, aerosoler, og temperatur i den nedre troposfære. Eksperter opfordrer også til oprettelse af et "netværk af netværk" til indsamling og deling af disse data. For at give den nødvendige dækning til forbedrede vejr- og klimaudsigter i hele USA, en rapport foreslog at installere en række sensorer på jorden på omkring 400 steder landsdækkende med en afstand på omkring 125 kilometer fra hinanden.

Imidlertid, der har været et hul i instrumenteringen til at opfylde denne vision for forskning og overvågning uden at være afhængig af flybaserede enheder, som er dyre at implementere. Bygger på tidligere arbejde fra andre teams og samarbejder med NCAR-forskere, MSU-instrumentudviklere henvendte sig til diodebaseret MPD-teknologi som en økonomisk vej til en profiler, der kunne foretage nøjagtige målinger og opfylde ønskede specifikationer for kontinuerlige, uovervåget betjening og øjensikkerhed.

Demonstrer værdi i feltet

Forskerne har udviklet fem forskellige instrumenter baseret på en fælles arkitektur, hvor laserimpulser sendes ud i atmosfæren og retursignalet, som varierer efterhånden som lyset interagerer med vanddamp, måles med enkelte foton tællemoduler. Alle fem instrumenter er operationelle, og to er blevet indsat i jordbaserede vejr- og klimaforskningsforsøg.

Et instrument, udviklet i samarbejde af MSU og NCAR videnskabsmænd, blev opstillet som en del af Front Range Air Pollution and Photochemistry Experiment (FRAPPE). Instrumentet målte den lodrette vanddampprofil med mindre end 10 procent middelfejl over en række atmosfæriske forhold, sammenlignet med profiler indsamlet af luftbårne enheder. Den kørte også uden opsyn i 50 sammenhængende dage under FRAPPE uden nogen synlig nedgang i ydeevnen, giver omkring 95 procent datadækning.

Forskerne har også avanceret i retning af vertikal profilering af to andre højinteressetræk ved den nedre troposfære:aerosoler og temperatur. Baseret på MPD-arkitekturen byggede NCAR-forskere en ny lidar med høj spektral opløsning (HSRL), der er i stand til at profilere aerosoler. Som supplement til dette arbejde, en MSU-fysiker tilpassede matematiske teknikker fra kvantemekanikken for at løse en ligning, der åbner døren til at bruge målinger af egenskaber af iltmolekyler og andre atmosfæriske data til at skabe en vertikal temperaturprofil. Modeller og foreløbige eksperimenter tyder på, at ud over at måle vanddamp og andre luftbårne partikler, HSRL kan levere målinger, der er nødvendige for finkornet, højfrekvent temperaturprofilering.

Under juni-kongressen, forskerne planlægger at give det seneste nyt om deres temperaturprofileringsarbejde og andre opdateringer om deres instrumentering. For nu, Bunn sagde, "Vi begynder at hente temperaturprofiler for den nedre troposfære med en nøjagtighed på +/- 2 Kelvin, og vi arbejder på at forbedre instrument- og genfindingsalgoritmens ydeevne."