Developing methods for Doppler lidar to investigate atmospheric boundary layer

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-19-8
Title: Developing methods for Doppler lidar to investigate atmospheric boundary layer
Author: Manninen, Antti
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Institute for Atmospheric and Earth System Research / Physics
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-05-10
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-19-8
http://hdl.handle.net/10138/300848
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Global and in-situ wind field observations are crucial for predicting weather and climate. Air motions within the atmospheric boundary layer (ABL) affect aerosol-cloud interactions and are essential in forecasting poor air quality episodes. During the last few decades remote sensing instruments, especially Doppler lidars, have been used to monitor the vertical profile of the ABL with high time and height resolution. Such lidars can measure the vertical velocity directly in vertical pointing mode and with a scanning capability also retrieve horizontal winds. From Doppler lidar measurements profiles of turbulent properties, wind shear, and higher order velocity statistics can be calculated – essential in revealing the vertical structure of the ABL. Pulsed Doppler lidar systems using heterodyne detection usually operate in the near-infrared spectral region. They transmit a laser pulse, which scatters from atmospheric particles, and record the backscattered part of the pulse. There are significant limitations in the sensitivity of such lidar systems in locations where aerosol load is low and hence the signal-to-noise ratio (SNR) is low. In theory, sensitivity of a pulsed Doppler lidar system can be improved by averaging the signal and thus increasing the SNR, assuming the noise is Gaussian. If not, the improvement in sensitivity is limited by the noise characteristics. Any bias in SNR is propagated into the velocity uncertainties and further to estimated turbulent properties. This thesis is comprised of research which aimed to fully characterise the noise in the backscatter signal of a pulsed Doppler lidar system, and to develop methods for correcting any bias detected in the noise. The instrument's sensitivity was improved significantly which increased data availability. Method for classifying ABL turbulent mixing was developed by combining several Doppler lidar quantities, which enables estimating the coupling of turbulence to the surface and/or clouds as well as identifying the sources causing turbulent mixing within the ABL. Data processing methods developed for the Doppler lidar system were applied to detect elevated aerosol layers from measurements of another lidar system. The developed methods were collected into a freely available software toolbox with the ultimate aim of generating harmonized Doppler lidar products across European Doppler lidar sites.Sään ja ilmaston ennustaminen vaativat maailmanlaajuisia mittauksia tuulen suunnista ja nopeuksista. Ilman liikkeen ja sekoittumisen mittaaminen ilmakehän alimmissa osissa on tärkeää ennustettaessa ilmanlaatua. Viime vuosikymmenien teknologinen kehitys on mahdollistanut uusia ilmakehän mittausmenetelmiä ja uusien instrumenttien kehittämisen, kuten Doppler siirtymään perustuvan optisen tutkan, eli Doppler lidarin. Doppler lidarit pystyvät havainnoimaan ilmakehän alaosia erittäin suurella tarkkuudella ajan ja korkeuden suhteen. Skannaavat Doppler lidarit pystyvät myös tekemään havainnointeja tuulen nopeudesta ja suunnasta sekä niiden havainnoineista voidaan arvioida ilmakehän alaosien turbulenttisuutta. Useimmat Doppler lidarit toimivat infrapunavalon alueella ja ovat turvallisia ihmissilmälle. Ne lähettävät laser pulssin taivaalle, joka siroaa ilmakehän hiukkasista, sade pisaroista ja pilvipisaroista. Takaisin instrumentille päin sironnut osa laser pulssista voidaan mitata. Näiden instrumenttien mittauskyky on rajoittunut erittäin puhtaan ilman alueilla, jolloin instrumentin omasta taustakohinasta on erittäin vaikea erottaa takaisin instrumentille sironnut signaali. Tällöin mahdolliset taustakohinan poikkeamat saattavat vääristää signaalia, jonka aiheuttama virhe monistuu edelleen laskettaviin suureisiin, kuten mittauksista arvioituun turbulenttisuuteen. Tämä väitöskirja koostuu tutkimuksesta, jonka yhtenä tavoitteena oli määrittää Doppler lidar instrumentin taustakohinan ominaisuudet ja kehittää menetelmiä taustakohinan poikkeamien korjaamiseen. Tuloksena instrumentin mittauskykyä pystyttiin parantamaan huomattavasti ja sen käyttöä erittäin puhtaan ilman alueilla parantamaan merkittävästi. Väitöskirjaan johtaneessa tutkimuksessa kehitettiin menetelmä, jolla voidaan automaattisesti luokitella onko ilmakehän alaosa sekoittunut ja että sekoittuuko ilmamassat maanpinnan ja pilvien välillä sekä mikä sekoittumisen aiheuttaa. Osana väitöskirjaa tutkittiin myös hyvin sekoittuneen alailmakehän osan yläpuolella olevia hiukkaskerrostumia. Kehitetyt menetelmät koottiin kaikille avoimeen ohjelmistopakettiin, joka tarjoaa työkalut Doppler lidar mittausten prosessointiin, mittausten mahdollisiin korjauksiin ja mittauksista laskettavien korkeamman asteen suureiden arvioimiseen. Ohjelmistopaketin perimmäinen tarkoitus on tuottaa harmonisoituja ja yhdenvertaisia Doppler lidar suureita kaikilta eurooppalaisilta Doppler lidar mittausasemilta.
Subject: Fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
DEVELOPI.pdf 3.159Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record