Forskare har utvecklat en uppsättning diodbaserade lidarinstrument som kan hjälpa till att fylla viktiga luckor i meteorologiska observationer och främja ett språng i förståelse, modellera och förutsäga väder och klimat. Instrumenten är särskilt väl lämpade för insikter om atmosfärisk dynamik i mesoskala, ett storleksintervall som motsvarar området i en liten stad upp till en amerikansk stat.
Samarbetspartners från Montana State University (MSU) i Bozeman och National Center for Atmospheric Research (NCAR) i Boulder, Colo. Kommer att diskutera arbetet under The Optical Society's Optical Sensors and Sensing Congress, som kommer att äga rum 25-27 juni i San Jose, Kalifornien, under Sensors Expo 2019.
Än så länge, teamet har skapat fem diodbaserade mikropulsdifferentialabsorptionsabsorberande lidar (DIAL) instrument-MPD-instrument, kort sagt - för profilering av vattenånga i nedre troposfären, det område i atmosfären där mest väder uppstår. Diodlaserbaserade instrument fungerar inom våglängder från 650 till 1, 000 nanometer, mestadels inom det infraröda spektrumet. Instrumenten kan användas både dag och natt, i stort sett obevakad, utan att riskera ögonskador på människor.
"Nätverket med fem vattenånga MPD-instrument distribuerades till mätningen av atmosfärisk strålning Southern Great Plains atmosfäriska observatorium i mitten av april, "säger teammedlem Catharine Bunn." Från detta tre månaders fältförsök kommer vi att få insikt i hur väderprognoser kan påverkas av kontinuerliga MPD-mätningar av atmosfärisk vattenånga.
Fyller övervakningsluckor
Flera rapporter från National Academies of Sciences, Engineering and Medicine och andra expertgrupper under det senaste decenniet har identifierat ett kritiskt behov av vertikala mätprofiler av luftfuktighet, aerosoler, och temperatur i nedre troposfären. Experter kräver också att det skapas ett "nätverk av nätverk" för insamling och delning av denna data. För att ge nödvändig täckning för förbättrad väder- och klimatprognos i USA, en rapport föreslog att en rad sensorer skulle sättas in på marken på cirka 400 platser i landet som var ungefär 125 kilometer från varandra.
Dock, det har funnits ett gap i instrumentationen för att uppfylla denna vision för forskning och övervakning utan att förlita sig på flygbaserade enheter, som är dyra att distribuera. Bygga på tidigare arbete från andra team och samarbeta med NCAR -forskare, MSU-instrumentutvecklare vände sig till diodbaserad MPD-teknik som en ekonomisk väg till en profiler som kunde göra exakta mätningar och uppfylla önskade specifikationer för kontinuerlig, obevakad drift och ögonsäkerhet.
Demonstrera värde i fältet
Forskarna har utvecklat fem olika instrument baserade på en gemensam arkitektur där laserpulser skickas in i atmosfären och retursignalen, som varierar när ljuset interagerar med vattenånga, mäts med enstaka fotonräknemoduler. Alla fem instrumenten är i drift och två har använts i markbaserade experiment med väder och klimat.
Ett instrument, utvecklat tillsammans av MSU- och NCAR -forskare, togs upp som en del av Front Range Air Pollution and Photochemistry Experiment (FRAPPE). Instrumentet mätte den vertikala vattenångprofilen med mindre än 10 procent medelfel över ett antal atmosfäriska förhållanden, jämfört med profiler som samlats in av luftburna enheter. Det gick också utan uppsikt i 50 kontinuerliga dagar under FRAPPE utan någon synbar prestandaförlust, ger cirka 95 procent datatäckning.
Forskarna har också avancerat mot att vertikalt profilera två andra högintressanta funktioner i den nedre troposfären:aerosoler och temperatur. Baserat på MPD -arkitekturen byggde NCAR -forskare en ny lidar med hög spektral upplösning (HSRL) som kan profilera aerosoler. Som komplement till detta arbete, en MSU -fysiker anpassade matematiska tekniker från kvantmekanik för att lösa en ekvation som öppnar dörren för att använda mätningar av egenskaper hos syremolekyler och andra atmosfäriska data för att skapa en vertikal temperaturprofil. Modeller och preliminära experiment tyder på att förutom att mäta vattenånga och andra luftburna partiklar, HSRL kan tillhandahålla mätningar som behövs för finkorniga, högfrekvent temperaturprofilering.
Under kongressen i juni, forskarna planerar att tillhandahålla det senaste om sitt temperaturprofileringsarbete och andra uppdateringar av deras instrumentering. Tills vidare, Bunn sa, "Vi börjar hämta temperaturprofiler i den nedre troposfären med en noggrannhet på +/- 2 Kelvin och vi arbetar för att förbättra instrument- och hämtningsalgoritmprestanda."
