Analyse und Interpretation der Struktur von Laser-Ceilometermessungen in der stabilen atmosphärischen Grenzschicht

In der wolkenfreien Grenzschicht, auch unter Wolken, weisen Laser-Ceilometermessungen insbesondere bei stabilen Situationen oft Schichtstrukturen auf (siehe Abbildungen, weitere findet man sich beim Stöbern auf der Ceilometer-Homepage http://www.meteo.uni-bonn.de/forschung/gruppen/ceilo/ceilo_bildarchiv.html), die auf Aerosole zurückgeführt werden können. Aus Rückstreulidarmessungen mit sehr viel teureren Geräten (Forschungs-Rückstreulaser) ist dies bekannt und wird auch ausgewertet; dazu gibt eine entsprechend umfangreiche Literatur. Laser-Ceilometer, wie das am MIUB, sind vergleichsweise billige Geräte (viel schwächerer Laser, 20 Sekunden Mittelungszeitraum), die üblicherweise zur Bestimmung von Sichtweiten und Wolkenuntergrenzen vorwiegend an Flugplätzen zum Einsatz kommen. Ein brauchbarer Algorithmus zur Aerosolcharakterisierung aus Laser-Ceilometer würde daher eine riesige Quelle zusätzlicher Messungen zur Luftqualität erschließen. In der Diplomarbeit sollen als erster Schritt diese beobachtbaren Strukturen qualitativ und quantitativ untersucht werden.

29.01.2005 25.02.2005 15.03.2005 Daten: Lange Zeitreihen liegen vor (siehe Archiv). Bei Interesse können neuartige Datensätze durch selbst auszuführende Zenitwinkelabtastungen (Schwenken des Ceilometers von der Vertikalen, in die es jetzt misst, in schräge Blickrichtungen) gewonnen werden. Evtl. sind damit auch Aussagen über den Aerosoltyp gemacht werden, da es bei größeren Teilchen zu Vorzugsausrichtungen kommt, was auf die Rückstreuung wirkt möglich; andererseits könnte durch das Kippen eine unabhängige Kalibrierung der Messungen erreicht werden Tipping Curve Ansatz). Für die Auswertungen hinzu genommen werden sollen, die Messungen der Klimastation des Meteorologischen Instituts  (Druck, Temperatur, Feuchte, Wind) und die seit 2003 vorhandenen Langstrecken-Scintilometermessungen über dem Messdorfer Feld. Schließlich sollen die Messungen der Radiosondenstation Essen verwendet werden. Diese Daten geben zusammen Hinweise auf die Stabilitätsstruktur und Höhe der Grenzschicht.

Methodik:

  • Thema 1: Zunächst werden interessante Messzeiträume identifiziert. Die Radiosondenaufstiege von Essen, die Wetterdaten des MIUB einschließlich der Scintillometermessungen sollen dabei genutzt werden, um die meteorologische Situation (Stabilität, Advektionseffekte) während der interessanten Zeiträume zu charakterisieren. Mit diesen Messungen erfolgt eine qualitative Bewertung der Laser-Ceilometermessungen. Ziel sollte der Zusammenhang zwischen den meteorologischen Parametern, den turbulenten Wärmeflüssen aus Scintillometermessungen und quantifizierbaren Strukturparameter des Ceilometer-Rückstreuprofils sein. Die Quantifizierung der Struktur könnte durch die Detektion von horizontalen Linienstrukturen und deren Stärke, Dicke und Anzahl erfolgen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Laser-Ceilometer eine zeitlich variable Empfindlichkeit hat (ist oft in den Zeitserien im Archiv zu sehen). Dies ist sicher ein Problem, könnte aber in Zusammenarbeit mit dem Hersteller (Vaisala) bei Bedarf behoben werden.

  • Thema 2: Ein vorhandenes Inversionsprogramm (Klett-Algorithmus) für die Laser-Ceilometermessungen soll verwendet/erweitert werden, um den Rückstreukoeffizient und integrale Maße wie die optische Dicke des Aerosols zu bestimmen. Ein mechanischer Kippmechanismus (ganzes Gerät oder Spiegel über dem Gerät) wird entwickelt/verwendet, um die Grenzschicht unter mehreren Winkeln zu messen. Daraus sollte eine genauere Eichung des Gerätes möglich sein. U.U. kann man auf kürzere Mittelungszeiten gehen. Optional liegen für die BBC-2 Kampagne in 2003 für den Standort Cabauw, NL, auch Aerosolmessungen für die untersten Schichten vor, die zur Validierung (allerdings nur Zenitmessungen) genutzt werden könnten.
Literatur: Diplomarbeit von Hartwig Mebold (liegt im MIUB vor)

Anmerkungen: Die Firma Vaisala (weltführend bei meteorologischen Messgeräten) bei meteorologischen Messsystemen) ist an diesen Arbeiten sehr interessiert. Auch der niederländische Wetterdienst (KNMI) arbeitet an entsprechenden Verfahren; daher sollte zu Beginn der Diplomarbeit ein Erfahrungsaustausch mit dem KNMI stattfinden.

msthesis_proposed/pbl_ceilometer.txt · Last modified: 2006/12/03 19:58 by simmer
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