3-D observations of absolute humidity from the land surface to the lower troposphere with scanning differential absorption lidar

Abstract

The water vapor (WV) distribution in the atmospheric boundary layer (ABL) is spatially and temporally highly variable. To investigate this behavior, the Institute of Physics and Meteorology at the University of Hohenheim (UHOH) developed a unique scanning differential absorption lidar (DIAL). This instrument allows for water vapor measurements with high temporal and spatial resolutions of the orders of seconds and tens of meters in the range of several kilometers from the surface up to the lower troposphere. Additionally, the UHOH DIAL system can perform scanning measurements which allows for observations down to the surface as well as for observations of the horizontal moisture variability. Within this thesis, three aspects regarding high-resolution observations of moisture in the ABL with scanning DIAL are demonstrated: 1) the development of a new seeder system for the laser transmitter, 2) the presentation of three scan modes, and 3) applications of 2-D to 3-D WV DIAL data. The newly developed seeder system is based on distributed feedback (DFB) laser diodes as seed lasers and an electro-optical deflector as optical switch. The setup and its specifications are presented. Scanning measurements were performed to capture the spatial WV structures. For this purpose, three scan modes with measurement examples are presented: 1) Range-height indicator (RHI) scans provide vertical cross-section images of the atmospheric humidity distribution. The presented series of four measurements show several humidity layers with different WV content and their evolution. Clouds appear in the last scan. 2) A volume scan captures the whole three-dimensional WV structure made out of several conical scans of different elevation angles. The horizontal variation of the layer heights can be related to the terrain profile with a small hill near the DIAL site. 3) Low elevation scans observe the WV distribution directly above the surface. Thus, relationships of the ground characteristics and vegetation with the humidity content above can be investigated. It is shown that there was more moisture above a maize field and above a forest than above grassland. For the analysis of scanning measurements, new analysis and visualization routines as well as new methods for the error estimation were developed. More scientific applications of high-resolution WV data from DIAL measurements are presented in three publications. A evaluation study compared humidity profiles from model simulations with different land-surface schemes with horizontal mean profiles of scanning DIAL measurements. High-resolution humidity fluctuations from vertical measurements were used to determine higher-order moments up to the fourth-order as well as skewness and kurtosis. Furthermore, such WV profiles were combined with profiles of temperature and vertical wind velocities and used for the development of new turbulence parameterizations and for model validation.

Die Wasserdampfverteilung in der atmosphärischen Grenzschicht ist räumlich und zeitlich sehr variabel. Zur Untersuchung dieses Verhaltens entwickelte das Institut für Physik und Meteorologie an der Universität Hohenheim (UHOH) ein einzigartiges scannendes differentielles Absorptionslidar (DIAL). Dieses ermöglicht Wasserdampfmessungen mit einer zeitlichen und räumlichen Auflösung von wenigen Sekunden und einigen zehn Metern in einem Bereich von mehreren Kilometeren vom Boden bis zur unteren Troposphäre. Das UHOH DIAL-System erlaubt zudem scannende Messungen, die zum einen Messungen bis an den Boden und zum anderen Messungen der horizontalen Variabilität der Feuchtigkeit ermöglichen. Diese Arbeit behandelt drei Aspekte bezüglich hochaufgelöster Feuchtemessung in der atmosphärischen Grenzschicht mit scannendem DIAL: 1) Die Entwicklung eines neuen Seedersystems für den Lasertransmitter, 2) die Vorstellung verschiedener Scan-Modi und 3) Anwendungen von mit dem DIAL gemessenen 2-D bis 3-D Wasserdampfdaten. Das neu entwickelte Seedersystem basiert auf Distributed Feedback (DFB) Laserdioden als Seedlaser und einem elektro-optischen Strahlablenker als optischen Schalter. Der Aufbau und die Spezifikationen werden vorgestellt. Zur Erfassung der räumlichen Wasserdampfstruktur werden scannende Messungen durchgeführt. Dazu werden folgende 3 Scanverfahren mit Messbeispielen vorgestellt: 1) Range-height indicator (RHI) Scans liefern vertikale Schnittbilder der atmosphärischen Feuchteverteilung. Die vorgestellte Serie aus vier Messungen zeigt verschiedene Feuchteschichten mit unterschiedlichem Wasserdampfgehalt und deren Entwicklung. Im Messbeispiel treten im letzten durchgeführten Scan Wolken an der Oberkante der konvektiven Grenzschicht auf. 2) Der Volumenscan erfasst die gesamte 3-dimensionale Wasserdampfstruktur mittels mehrerer konischer Scans mit unterschiedlichen Elevationswinkeln. Die horizontalen Unterschiede der Schichtenhöhen können anhand des Geländeprofiles mit einem kleinen Hügel in der Nähe des DIAL-Standorts erklärt werden. 3) Bodennahe Scans geben die Wasserdampfverteilung direkt über dem Erdboden wieder. Damit können Beziehungen zwischen der Bodenbeschaffenheit und dem -bewuchs mit der darüber liegenden Atmosphäre untersucht werden. So zeigten sich über einem Maisfeld und über Wald höhere Wasserdampfwerte als über einer Grasfläche. Für die Analyse der scannenden Messungen wurden neue Auswerte- und Darstellungsroutinen, sowie neue Methoden zur Fehlerabschätzung entwickelt. Die wissenschaftliche Anwendung von hochaufgelösten Wasserdampfdaten aus DIAL Messungen werden anhand von drei Veröffentlichungen vorgestellt. Eine Evaluierungsstudie zu Modellsimulationen mit unterschiedlichen Land-Atmosphären-Austauschmodellen verglich Feuchtigkeitsprofile aus den Modellen mit horizontal gemittelten Wasserdampfdaten aus scannenden DIAL-Messungen. Hochaufgelöste Feuchtefluktuationen aus Vertikalmessungen wurden verwendet, um höhere Momente bis zur vierten Ordnung sowie Skewness und Kurtosis zu bestimmen. Weiter wurden solche Feuchteprofile mit Profilen von Temperatur und Vertikalwind kombiniert und genutzt, um neue Turbulenzparametrisierungen zu entwickeln und zu testen.