2024-03-28T15:29:20Z
http://opus.uni-hohenheim.de/oai2/oai2.php
oai:opus.uni-hohenheim.de:454
2010-06-09T08:56:35Z
ddc:530
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-4542
A high-power laser transmitter for ground-based and airborne water-vapor measurements in the troposphere
Universität Hohenheim
DIAL
Titan-Saphir-Laser
Abstimmbarer Laser
Pumpen <Laser>
Einmodenlaser
Physics
Leistungsstarker Laser
DIAL
Ti:Sapphire laser
high-power laser
tunable laser
single-frequency laser
A gain-switched high-power single-frequency Ti:sapphire laser was developed. It is pumped with a frequency-doubled diode-pumped Nd:YAG laser. The laser fulfills the requirements for a transmitter of a water-vapor differential absorption lidar (DIAL), intended for accurate high temporally- and spatially-resolved measurements from the ground to the upper troposphere. The laser was developed using thermal, resonator-design, spectral, and pulse-evolution models. There were layouts assembled for operation at 935 nm and 820 nm optimized for airborne and groundbased measurements, respectively.
A birefringent filter and an external-cavity diode laser as an injection seeder are controlling the spectral properties of the transmitter. With a frequency stability of < 60 MHz rms, an emission bandwidth of < 160 MHz, and a spectral purity of > 99.7 %, the total error from the laser properties is smaller than 5 % for water-vapor measurements in the troposphere. The laser beam profile is near-Gaussian with M2 < 2. The achieved laser power was 4.5 W at 935 nm and 7 W at 820 nm at repetition rate of 250 Hz. These values are the highest reported for a single-frequency Ti:sapphire laser.
As a part of a ground-based water-vapor DIAL system, the transmitter was deployed during the measurement campaign COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study). Comparisons with radiosondes confirmed a high precision of the acquired water-vapor day- and nighttime measurements.
Ein verstärkungsgeschalter leistungsstarker monofrequenter Ti:Saphir-Laser, der mit einem frequenzverdoppeltem diodengepumpten Nd:YAG Laser gepumpt ist, wurde entwickelt. Der Laser erfüllt die hohen Anforderungen eines Transmitters für ein Wasserdampf-Differential-Absorption-Lidar (DIAL), der mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung Messungen innerhalb der Troposphäre durchführen soll. Für die Entwicklung des Lasers wurden Modelle für die thermischen Eigenschaften, das Resonatordesign, das Emissionspektrum sowie den Pulsaufbau verwendet. Es wurden Laseraufbauten gefertigt, die für den Einsatz bei 935 nm für Flugzeug-Plattformen bzw. 820 nm für bodengestützte Messungen optimiert sind.
Ein doppelbrechender Filter und ein External-Cavity-Diodenlaser als Injection-seeder sorgen für die hohe Güte der spektralen Eigenschaften des Senders. Mit einer Frequenzstabilität < 60 MHz rms, einer Bandbreite < 160 MHz und einer spektralen Reinheit > 99,7 % ist der Gesamtfehler der Wasserdampfmessungen in der Troposphäre, der durch die Eigenschaften des Lasers bedingt ist, kleiner als 5 %. Werte der mittleren Ausgangsleistung von 4,5 W bei 935 nm und 7 W bei 820 nm sind die zur Zeit höchsten, die von einem monofrequenten Ti:Saphir-Laser mit nahezu gaussförmigem Strahlprofil und M2 < 2 erreicht wurden.
Als Teil eines bodengestützten Wasserdampf DIALs, wurde der Transmitter während der Messkampagne COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study) verwendet. Vergleiche von Messungen bei Tag und bei Nacht mit Radiosondenaufstiegen zeigten gute Übereinstimmungen.
1276066595
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2010/454/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2010/454/pdf/Schiller_thesis_eng.pdf
Schiller, Max
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:516
2011-01-11T08:44:57Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-5168
Application of Global Positioning System slant path delay data for mesoscale modelverification and four-dimensional variational assimilation
Universität Hohenheim
GPS
Physics
Assimilation
GPS
Assimilation
Observation modeling is required in order to make use of slant path delay data, processed from ground-based Global Positioning System (GPS) measurements, for verification purposes and numerical weather prediction. A rigorous ray-tracing algorithm based on the Euler-Lagrange equation derived from Fermat's principle is developed to simulate the propagation of GPS radio signals in a mesoscale model. The ray-tracing algorithm is based on a finite difference scheme and allows the direct numerical simulation of GPS slant path delays.
Slant Path Delay-Daten, die aus bodengestützten Global Positioning System (GPS)-Messungen abgeleitet werden, können zur Verifikation von mesoskaligen Modellen und zur numerischen Wettervorhersage verwendet werden. Dazu ist die Entwicklung eines Vorwärtsmodells notwendig. Ein rigoroser Ray Tracing Algorithmus basierend auf den Euler-Lagrange-Gleichungen abgeleitet aus Fermat's Prinzip wurde entwickelt, um die Ausbreitung von GPS Radiosignalen in einem
mesoskaligen Modell zu simulieren. Der Ray Tracing-Algorithmus basiert auf einem Finite Differenzen-Verfahren und erlaubt die direkte numerische Simulation von GPS Slant Path Delay-Daten.
1294731897
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2011/516/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2011/516/pdf/Dissertation_FZUS.pdf
Zus, Florian
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:578
2012-03-05T11:15:50Z
ddc:530
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Assimilation of ground-based and airborne lidar data into the MM5 4D-Var system
Universität Hohenheim
Datenassimilation
Meteorologie
Lidar
Physics
4D-Var
MM5
Datenassimilation
Meteorologie
Lidar
4D-Var
MM5
This work investigates the impact of assimilating water vapor Light Detection and Ranging (lidar) data into mesoscale Numerical Weather Prediction (NWP) models. Two cases from the field campaigns International H20 Project 2002 (IHOP_2002) and International Lindenberg Campaign for Assessment of Humidity- and Cloud-Profiling Systems and its Impact on High-Resolution Modelling 2005 (LAUNCH-2005) are presented. In the first case, airborne water vapor Differential Absorption Lidar (DIAL) data are used for an assimilation for 24 May 2002, where convection occurred along an eastward moving dryline in western Texas and Oklahoma south of a triple point that formed in western Oklahoma. In the second case, a network of three ground based water vapor Raman lidars, operated behind a sharp frontal rain band with a northwesterly flow, are used.
The method employed, Four-Dimensional Variational Data Assimilation (4D-Var), is described in relation to other methods and the implementation is given in detail. The data assimilation results in a large modification of the initial fields. The assimilation into the preconvective conditions changed not only the water vapor field but also the location of convergence lines, causing positive modification of Convective Initiation (CI). In the LAUNCH-2005 case a strong correction of the vertical structure and the absolute values of the initial water-vapor field of the order of 1g/kg was found. This occurred mainly upstream of the lidar systems within an area that was comparable with the domain covered by the lidar systems. The correction of the water-vapor field was validated using independent Global Positioning System (GPS) sensors. Much better agreement with GPS zenith wet path delay was achieved with the initial water-vapor field after 4D-Var. Furthermore, the impact of the assimilation and its temporal evolution was investigated with introduced measures. The results demonstrate the high value of accurate vertically resolved mesoscale water vapor observations and advanced data assimilation systems for short-range weather forecasting.
Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen der Assimilation von Wasserdampf Light Detection and Ranging (Lidar)-Daten in mesoskalige numerische Wettervorhersagemodelle (NWP). Zwei Fallstudien aus den Feldkampagnen International H2O Project 2002 (IHOP_2002) und International Lindenberg Campaign for Assessment of Humidity- and Cloud-Profiling Systems and its Impact on High-Resolution Modelling 2005 (LAUNCH-2005) werden vorgestellt. Im ersten Fall wurden flugzeuggestützte Differential Absorption Lidar (DIAL)-Wasserdampf-Daten für eine Assimilation am 24. Mai 2002 genutzt. An diesem Tag trat Konvektion entlang einer sich ostwärts bewegenden Feuchtefront im Westen Texas und in Oklahoma, südlich eines Tripelpunkt, auf. Im zweiten Fall wurde ein Netzwerk von drei bodengestützten Wasserdampf-Raman-Lidar-Systemen benutzt, welches nach Durchzug eines Regenbandes entlang einer Front und bei nordwestlichem Wind betrieben wurde.
Die verwendete Methode, Four-Dimensional Variational Data Assimilation (4D-Var), wird erläutert und mit anderen Datenassimilationsmethoden verglichen, wobei die hierfür notwendigen Implementationen detailliert beschrieben werden. Die Datenassimilation hat eine große Änderung der Anfangsbedingungen zur Folge. Die Assimilation in die prekonvektiven Bedingungen veränderte nicht nur die Verteilung des Wasserdampfes, sondern auch die Lage von Konvergenzlinien, was die Auslösung von Konvektion (CI) positiv modifizierte. Im LAUNCH-2005 Fall wurde eine starke Korrektur der vertikalen Struktur und der absoluten Menge des initialen Wasserdampfes in der Größenordnung von 1g/kg festgestellt. Dies trifft hauptsächlich auf Gebiete im Lee der Lidar-Systeme zu. Die Korrektur des Wasserdampffeldes wurde mit unabhängigen Global Positioning System (GPS)-Messungen validiert. Durch die 4D-Var wurde eine bessere Übereinstimmung des Wasserdampf-Anfangsfeldes mit GPS Zenit Wet Path Delay (ZWD) erreicht. Außerdem wurde die Auswirkung der Assimilation und die weitere zeitlicher Veränderung mithilfe eingeführter Maße untersucht. Das Resultat zeigt den großen Wert akkurater und vertikal aufgelöster mesoskaliger Wasserdampfbeobachtungen sowie fortschrittlicher Datenassimilationsmethoden für die kurzfristige Wettervorhersage.
1330941478
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2012/578/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2012/578/pdf/Diss_Matthias_Grzeschik.pdf
Grzeschik, Matthias
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:740
2012-08-07T12:22:08Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-7401
Model evaluation and data assimilation impact studies in the framework of COPS
Universität Hohenheim
Niederschlag
Radar
Datenassimilation
GPS
Physics
WRF
3DVAR
WRF
3DVAR
Data assimilation
The goal of this thesis was the study of new approaches for improving and investigating quantitative precipitation forecasting (QPF), e.g., by optimizing model resolution, physics combination, and data assimilation.
A forecasting system based on the Mesoscale Model 5 (MM5) was compared against other operational numerical weather prediction models from Meteo France, MeteoSwiss and the German Weather Service primarily with respect to daytime precipitation. First, a notable daytime dry bias was observed. It appears to be the result of a too small high-resolution domain and the switched-off convection parameterization from the second to the innermost domain. Even the application of a 4-dimensional variational data assimilation (4DVAR) with GPS slant total delays (STD) does not solve this problem due to inconsistent model physics between the 4DVAR and the forecasting model. Nevertheless, the MM5 is in good agreement with the shape of the observed diurnal cycle after the spin-up phase.
As the development of the MM5 was suspended, a transition to the new Weather Research and Forecasting (WRF) model system was made after the D-PHASE period (end of 2007). This system features state-of-the-art physics packages and also a variational data assimilation system. As a new observing system, GPS Zenith Total Delay (ZTD) data from Central Europe were incorporated into the 3-dimensional variational data assimilation (3DVAR) system to further
improve the initial water vapor field. A first study with this system revealed an improvement of the integrated water vapor RMSE of about 15% and a small but positive impact on the spatial and quantitative precipitation forecast. Additionally, the importance of assimilating upper air observations and the necessity to select a large, convection permitting model domain emerged.
Finally a rapid update cycle (RUC) approach, comparable to operational forecast centers, has been developed for a convection-permitting configuration of the WRF model. The system is capable to assimilate radar observations from Germany and France, GPS-ZTD data and satellite radiances and can be applied even for near real-time applications. First experiments with this system show promising results in comparison to other operational models.
Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung von neuen Ansätzen zur Verbesserung und Evaluierung der quantitativen Niederschlagsvorhersage z.B. durch anpassen der Modellauflösung, der Kombination von verschiedenen Parametrisierungen sowie der Datenassimilation.
Ein Vorhersagesystem auf Basis des mesoskaligen Atmosphärenmodells MM5 wurde mit
anderen operationellen Vorhersagesystemen von Meteo France, MeteoSchweiz und dem Deutschen Wetterdienst hinsichtlich des Tagesniederschlags verglichen. Zu Beginn wurde eine deutliche Unterschätzung des Niederschlags festgestellt. Diese ist das Resultat eines zu kleinen hoch aufgelösten Modellgebiets sowie des Abschaltens der Konvektionsparametrisierung im innersten Modellgebiet. Der Einsatz einer 4-dimensionalen, variationellen Datenassimilation mit GPS slant
total delays (STD) brachte auch keine wesentlich Verbesserung der Resultate. Dennoch konnte eine gute Übereinstimmung mit der Gestalt des beobachteten Tagesgangs nach Ablauf der spin-up Phase erzielt werden.
Nachdem die Entwicklung des MM5 zwischenzeitlich eingestellt worden war, wurde am Ende der D-PHASE Periode (November 2007) auf das Weather Research and Forecasting (WRF) Modellsystem gewechselt. Dieses beinhaltet dem aktuellen Stand der Forschung entsprechende Modellphysik sowie ein variationelles Datenassimilationssystem. Als neuartige Beobachtungen wurden GPS zenith total delay (ZTD) Messungen in die 3DVAR mit eingebunden, um das Wasserdampfanfangsfeld weiter zu verbessern.
Eine erste Fallstudie ergab eine Verbesserung des RMSE des integrierten Wasserdampfgehalts um 15%, und einen schwachen, aber positiven Einfluß auf die räumliche und quantitative Niederschlagsvorhersage. Außerdem ergaben sich Hinweise, dass es wichtig ist, Höheninformationen zu assimilieren und ein möglichst großes, konvektionserlaubendes Modellgebiet zu wählen. Im letzten Teil wurde ein rapid update cycle (RUC) Ansatz, vergleichbar mit anderen Vorhersagezentren, entwickelt.
Zusätzlich ist das 3DVAR-System nun so vorbereitet, dass es gleichzeitig Radardaten aus Deutschland und Frankreich, GPS-ZTDs sowie Satellitendaten benutzen und in nahezu Echtzeit verwendet werden kann. Ein erstes Experiment mit diesen System ergab Erfolg versprechende Resultate im Vergleich zu anderen operationellen Modellen.
1344334928
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2012/740/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2012/740/pdf/diss_thomas_schwitalla.pdf
Schwitalla, Thomas
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:965
2014-03-05T15:01:01Z
ddc:530
pub-type:8
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Aircraft air data system based on the measurement of Raman and elastic backscatter via active optical remote-sensing
Universität Hohenheim
Lidar
Raman-Effekt
Raman-Spektroskopie
Raman-Lidar-Spektroskopie
Lufttemperatur
Temperaturmessung
Luftdruck
Druckmessung
Physics
Optische Fernerkundung
Atmosphärische Streuung
Atmosphärische Extinktion
Luftdatensystem
Laser
Flugzeug
Lidar
Atmospheric scattering
Laser system
Air temperature measurement
Air pressure measurement
Atmospheric aerosol
Volcanic ash
Humidity
Flight safety in all weather conditions demands exact and reliable determination of flight-critical air parameters. Conventional aircraft air data systems can be impacted by probe failure caused by mechanical damage or impairment due to different environmental influences. In this thesis, a novel measurement concept for optically measuring the air temperature, density, pressure, moisture and particle backscatter for aircrafts is presented. The detection of volcanic ash is possible as well. This concept is independent from assumptions about the atmospheric state and eliminates the drawbacks of conventional aircraft probes. The measurement principle is based on a laser emitting pulses into the atmosphere from inside the aircraft and a receiver detecting the light signals backscattered from a defined region just outside the disturbed area of the fuselage air flow. With four receiver channels, different spectral portions of the Raman backscatter of dry air and water vapor, as well as the elastic backscatter are extracted. Measurements at daytime and in any atmospheric condition, including very dense clouds, are possible.
In the framework of this thesis, a first laboratory prototype of such a measurement system using 532 nm laser radiation was developed, comprising all relevant theoretical and experimental studies. These were notably the comparative feasibility assessment of the measurement methodology, the computational modeling of the measurement concept, the laboratory setup and the experimental validation.
Detailed and realistic performance and optimization calculations were made based on the parameters of the first prototype. The impact and the correction of systematic errors due to solar background and elastic signal cross-talk appearing in optically dense clouds were analyzed in computational simulations. The simulations supplement the experimental results for measurement scenarios that are not generable in the laboratory.
The laboratory experiments validate the predictions from the simulations with regard to systematic errors and statistical measurement uncertainties. Where possible, the experimental setup and the signal and data analysis were optimized. Residual differences between the experimental and the model results were analyzed in detail. Concrete further hardware optimizations were suggested.
The resulting experimental systematic measurement errors at air temperatures varying from 238 K to 308 K under constant air pressure are < 0.05 K, < 0.07 % and < 0.06 % for temperature, density and pressure, respectively. The systematic errors for measurements at air pressures varying from 200 hPa to 950 hPa under constant air temperature are < 0.22 K, < 0.36 % and < 0.31 %, respectively.
The experimentally achieved 1-σ statistical measurement uncertainties for the analysis of each single detected signal pulse range from 0.75 K to 2.63 K for temperature, from 0.43 % to 1.21 % for density, and from 0.51 % to 1.50 % for pressure, respectively, for measurement altitudes from 0 m to 13400 m.
In order to meet measurement error requirements specified in aviation standards, minimum laser pulse energies were experimentally determined to be used with the designed measurement system. With regard to 100-pulse-averaged temperature measurements, the pulse energy at 532 nm has to be larger than 11 mJ (35 mJ), when regarding 1-σ (3-σ) uncertainties at all measurement altitudes. For 100-pulse-averaged pressure measurements, the laser pulse energy has to be respectively larger than 95 mJ (355 mJ). Based on these experimental results, the laser pulse energy requirements were extrapolated to the ultraviolet wavelength region as well, resulting in much lower laser pulse energy demand.
The successful results of this thesis do not only prove the viability of the concept implementation, but also demonstrate its high potential for aircraft air data system application.
Flugsicherheit bedingt die genaue und zuverlässige Bestimmung von flugkritischen Luftparametern in allen Wetterlagen. Messsonden konventioneller Flugzeugluftdatensysteme können durch mechanische Beschädigung oder Beeinträchtigung in extremen Witterungsbedingungen ausfallen. In dieser Arbeit wird ein neues Messkonzept zur optischen Messung von Lufttemperatur, -dichte, -druck, -feuchte und Partikelrückstreuung für Flugzeuge vorgestellt. Die Detektion von Vulkanasche ist ebenso möglich. Das Konzept ist unabhängig von Annahmen über den atmosphärischen Zustand und umgeht die Nachteile herkömmlicher Luftdatensysteme. Das Messprinzip beruht auf der Emission von Laserpulsen in die Atmosphäre aus dem Flugzeuginneren und der Detektion der Lichtsignale, welche in definiertem Abstand zum Flugzeug von der ungestörten Luftströmung rückgestreut werden. Mit vier Empfangskanälen werden unterschiedliche spektrale Bereiche der Raman-Rückstreuung von trockener Luft und Wasserdampf, sowie das elastische Rückstreusignal extrahiert. Messungen bei Tag und in sämtlichen Witterungsverhältnissen inklusive sehr dichten Wolken sind möglich.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der erste Laborprototyp eines solchen Messsystems basierend auf 532 nm Laserstrahlung entwickelt. Die Realisierung dieses Messsystems beinhaltete alle relevanten theoretischen und experimentellen Studien. Diese waren insbesondere eine vergleichende Bewertung der Durchführbarkeit der Messmethodik, die computergestützte Modellierung des Messkonzeptes, der Laboraufbau und die experimentelle Validierung.
Anhand der Parameter des Prototyps wurden detaillierte und realistische Berechnungen zur Leistungsfähigkeit und zur Systemoptimierung durchgeführt. Die Auswirkungen und die Korrekturmöglichkeiten von systematischen Fehlern wurden mittels Computersimulationen analysiert. Das Hauptaugenmerk wurde hierbei auf solare Hintergrundstrahlung und elastisches Signalübersprechen in dichten Wolken gerichtet. Diese Simulationen ergänzen die experimentellen Ergebnisse für Messszenarien, welche nicht im Labor generierbar sind.
Die Laborversuche bestätigen die Vorhersagen der Simulationen in Hinsicht auf systematische Fehler und statistische Messunsicherheiten. Die Auswertung der experimentellen Ergebnisse wurde begleitet von Optimierungen des Versuchsaufbaus sowie der Signal-und Datenanalyse. Unterschiede zwischen den experimentellen und simulierten Ergebnissen wurden im Detail analysiert und erklärt. Konkrete Verbesserungsvorschläge bezüglich des Messequipments wurden aufgezählt.
Die experimentell erzielten systematischen Messfehler bei Lufttemperaturen von 238 K bis 308 K und konstantem Luftdruck sind < 0,05 K, < 0,07 % und < 0,06 % für Temperatur-, Dichte- bzw. Druckmessungen. Die systematischen Fehler für Messungen bei unterschiedlichen Luftdrücken von 200 hPa bis 950 hPa jedoch konstanter Lufttemperatur betragen analog < 0,22 K, < 0,36 % und < 0,31 %.
Die experimentell erzielten 1-σ statistischen Messunsicherheiten für die Analyse von einzelnen Signalpulsen reichen von 0,75 K bis 2,63 K für Temperaturmessungen, von 0,43 % bis 1,21 % für Dichtemessungen sowie von 0,51 % bis 1,50 % für Druckmessungen - jeweils für Messhöhen von 0 m bis 13400 m.
Mindestenergiewerte für die Laserpulse des entworfenen Messsystems wurden experimentell ermittelt, mit welchen die in Luftverkehrsnormen spezifizierten Messfehleranforderungen erfüllt werden können. Für Temperaturmessungen, bei denen 100 Signalpulse gemittelt werden, müssen die Pulsenergien größer als 11 mJ (35 mJ) sein, damit die 1-σ (3-σ) Messunsicherheit die erwähnten Spezifikationen in allen Flughöhen unterschreitet. Analog muss die Laserpulsenergie für über 100 Pulse gemittelte Druckmessungen mindestens 95 mJ (355 mJ) betragen. Die Resultate hinsichtlich der minimalen Pulsenergien wurden für den Fall eines im ultravioletten Spektralbereich emittierenden Lasers extrapoliert, was zu einem wesentlich geringeren Bedarf an Laserpulsenergie führte.
Die erfolgreichen Ergebnisse dieser Dissertation belegen nicht nur die Durchführbarkeit des Messkonzeptes. Sie zeigen auch das hohe Potenzial für den Einsatz eines darauf basierenden Messsystems für die flugzeuggestützte Luftdatenerfassung in unterschiedlichen atmosphärischen Verhältnissen.
1394027763
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2014/965/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2014/965/pdf/Dissertation_Michael_Fraczek_finale_Version_Veroeffentlichung.pdf
Fraczek, Michael Darius
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1048
2015-02-23T08:39:15Z
ddc:530
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-10488
The impact of irrigated biomass plantations on mesoscale climate in coastal arid regions
Universität Hohenheim
Aufforstung
Bewässerung
Physics
Arid
mesoskaliges Klima
Landoberflächen-Atmosphären Rückkopplungen
arid
afforestation
mesoscale climate
land surface atmosphere feedbacks
irrigation
Large-scale agroforestry in coastal arid and semi-arid regions could provide a geoengineering solution to anthropogenic climate change. Since agroforestry may impact on mesoscale climate in unknown ways, urgent research into potential impacts of large-plantations is needed to fully assess the viability and optimal placement for such schemes. Validated mesoscale simulations provide insights into feedbacks between land surface and atmosphere, particularly with respect to convective processes.
Simulations of irrigated Simmondsia chinensis (jojoba) plantations were carried out with the WRF-NOAH atmosphere-land surface model using prescribed land surface and plant parameters. A sub-surface irrigation algorithm was developed based on critical soil moisture stress levels and implemented into the model code. The simulation of desert and plantation land surfaces was validated with field data from two sites in the Negev Desert - an arid desert site and a 400 ha jojoba plantation. For desert and vegetated surfaces, the model output of diurnal meteorological quantities and energy fluxes generally match well with the respective observations. Diurnal 2m-temperatures over the desert and plantation are matched by the model to within ± 0.2 °C and ± 1.5 °C, respectively. Wind speeds for both surfaces match to within 0.5 ms−1 and plantation latent heat is reproduced to within ± 20 Wm−2.
Subsequent to validation, larger plantations of 100 km × 100 km were then simulated in two coastal arid regions, Israel and Oman over a period of one month and compared with control runs, without plantations. In Oman, convection and precipitation were triggered or enhanced by the plantation over multiple days whereas in Israel almost no impacts were observed. Two mechanisms were responsible for observed convection initiation: turbulent vertical transport of scalars due to increased surface heating and roughness as well as a low pressure-induced convergence at the canopy leeside.
The main contributors to the surface heating effect were reduced albedo and the high water-use efficiency exhibited by specialist desert species. The combination of increased net surface radiation and high stomatal resistances significantly limited transpiration and led to a surplus in sensible heat flux compared with the surrounding soils (> 100 Wm−2).
In Oman, convection initiation triggered by the plantation tended to occur on days when a high mid-tropospheric temperature lapse rate and significant surface air humidity were present. Israel exhibits more stable lapse rates during summer and drier conditions aloft, both of which suppressed convection significantly, even with a similar land surface perturbation. The initiation of moist convection at the mesoscale is therefore strongly controlled by prevailing synoptic conditions.
A regional climatological analysis of temperature and humidity ECMWF reanalysis data and station precipitation data indicate that the south-west of North America has particularly suitable conditions for impacts. Coastal locations in Baja California and the Sonoran Desert exhibit a seasonal concurrence of monsoonal instability, high surface humidity and integrated column water vapor, but at the same time low precipitation. Therefore plantation impacts on convection there are likely and could be beneficial in terms of higher amounts of precipitation.
These findings indicate that mesoscale convective events can be triggered by large plantations within arid and semi-arid regions and that these effects may be controllable via judicious placement of such schemes. Thus arid agroforestry has the potential not only to increase precipitation and reverse desertification within arid and semi-arid regions, but also to mitigate climate change if implemented on very large scales.
Großräumige Agrarforstwirtschaft in küstennahen ariden und semiariden Gebieten stellt eine Möglichkeit dar, mittels Geoengineering anthropogenem Klimawandel zu begegnen.Agrarforstwirtschaft wird das mesoskalige Klima jedoch in bisher unbekannter Weise beeinflussen. Daher ist es dringend notwendig, die möglichen Auswirkungen von großräumigen Plantagen in Bezug auf Durchführbarkeit und optimale Ausführung zu erforschen. Dazu geben validierte, mesoskalige Modellsimulationen Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre, insbesondere in Bezug auf konvektive Prozesse.
Bewässerte Jojobaplantagen wurden mit dem Atmosphären-Landoberflächenmodell WRFNOAH simuliert. Dazu wurden die Landoberfläche und geeignete Pflanzenparameter fest vorgegeben. Ein neuer Algorithmus für die unterirdische Bewässerung wurde entwickelt und in den Modellcode implementiert. Die Simulation von Wüsten und Plantagenflächen wurde dann mittels Vergleich der Ergebnisse mit Feldmessungen von zwei Stationen in der Wüste Negev getestet. Eine Station befand sich an einem Wüsten-Standort und eine in einer 400 ha großen Jojobaplantage. Über den simulierten Wüsten und bewachsenen Flächen stimmen die Modellergebnisse der meteorologischen Größen und der Energieflüsse im Tagesverlauf im Allgemeinen gut mit den entsprechenden Beobachtungen überein. Der Tagesverlauf der 2m-Temperaturen in der Wüste und der Plantage bewegt sich im Bereich von ± 0,2 °C beziehungsweise ± 1,5 °C verglichen mit der Beobachtung. Die Windgeschwindigkeiten bewegen sich im Bereich von ± 0,5 ms−1 um die beobachteten Werte und der latente Wärmefluss zeigt Abweichungen von ± 20 Wm−2.
Im Anschluss an die Validierung wurden größere Plantagen von je 100 km × 100 km in zwei repräsentativen ariden Küstengebieten (Israel und Oman) über einen Zeitraum von einem Monat simuliert und mit einem Kontrollexperiment ohne Plantagen verglichen. Im Oman löste die Plantage über mehrere Tage Feuchtekonvektion und Niederschläge aus oder verstärkte diese, während sie in Israel fast keinen Einfluss zeigte. Zwei Mechanismen waren im Wesentlichen verantwortlich für die Entstehung der Feuchtekonvektion im Oman: der turbulente, vertikale Austausch der meteorologischen Größen durch eine stärkere Erwärmung der Landoberfläche und erhöhte Rauigkeit sowie eine durch tieferen Luftdruck ausgelöste Konvergenz auf der Leeseite der Plantage. Wesentlich zur Oberflächenerwärmung tragen die verringerte Albedo sowie die effiziente Wasserverwertung der auf Wüstengebiete spezialisierten Pflanzenarten bei. Die Kombination aus erhöhter Nettostrahlung am Boden und erhöhtem Stomatawiderstand begrenzt die Transpiration erheblich und führt zu einem Anstieg des sensiblen Wärmeflusses von ca. 100 Wm−2 im Vergleich zum umgebenden Boden.
Im Oman besteht die Tendenz zu einer Beeinflussung der Konvektion durch die Plantage im Fall von starken Temperaturgradienten in der mittleren Troposphäre und signifikant erhöhter Luftfeuchte an der Erdoberfläche. Israel hat im Sommer eine stabilere atmosphärische Schichtung und ist in höheren Lagen sehr viel trockener. Dies unterdrückt den Einfluss auf die Konvektion signifikant, selbst bei einer Änderung der Landnutzung. Die Auslösung von Feuchtekonvektion auf der Mesoskala wird also stark durch die großräumige Zirkulation bestimmt.
Eine auf Temperatur- und Feuchtefeldern der EZMW-Reanalysen sowie Niederschlagsdaten basierenden Analyse der regionalen Klimatologie zeigt, dass der Südwesten Nordamerikas besonders geeignete Bedingungen für eine Beeinflussung der Konvektion durch eine Plantage bietet. In der Monsunzeit zeichnen sich die Küstengebiete der Baja California und der Wüste Sonora durch das Zusammentreffen von instabiler Schichtung, hoher Luftfeuchte am Boden und hohem vertikal integriertem Wasserdampfgehalt aus, haben aber gleichzeitig kaum Niederschlag. Daher kann man einen Einfluss von Plantagen auf Konvektion und somit grössere Niederschlagsmengen erwarten.
Die Resultate zeigen zum einen, dass konvektive Niederschläge durch einen geeigneten Aufbau größerer Plantagen ausgelöst und zum anderen bezüglich ihrer Intensität beeinflusst werden können. Dies unterstreicht das große Potential der Agrarforstwirtschaft, nicht nur die Niederschlagsmenge zu erhöhen und die Wüstenbildung rückgängig zu machen, sondern auch dem Klimawandel abzuschwächen sofern die Plantagen groß genug sind.
1424676633
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2015/1048/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2015/1048/pdf/Oliver_Branch_Doktor_Thesis_OPUS.pdf
Branch, Oliver
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1225
2016-09-15T09:41:57Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-12258
Microwave forward model for land surface remote sensing
Universität Hohenheim
Mikrowelle
Physics
permittivity
microwave
remote sensing
data assimilation
refractive index
In order to improve hydro-meteorological model prediction using remote-sensing measurements the difference between the model world and the observed world should be identified. The forward model proposed in this study allows us to simulate the BT (brightness temperature) from the land surface model to compare with the observed microwave BT. The proposed dielectric mixing model is the key part of the forward model to properly link the model parameters and the BT observed by remote sensing. In this study, it was established that the physically valid computation of the effective dielectric constant should be based on the arithmetic average with consideration of the proposed universal damping factor. This physically based dielectric mixing model is superior to the refractive mixing model or semi-empirical/calibration model with RMSE values of 0.96 and 0.63 for the predicted real and imaginary parts, respectively, compared to the measured values. The RMSE obtained with the new model is smaller than those obtained by other researchers using refractive mixing models for operational microwave remote sensing.
Once we determine the model uncertainty using this forward model, we can update the model state using the values obtained from the remote-sensing measurement. The challenging task in this process is to resolve the ill-posed inversion problem (estimation of multiple model parameters from a single BT measurement). This study proposes a simple partitioning factor based on model physics. Again, the forward model is crucial because these factors are required to be computed in BT space.
In the case study involving the Schäfertal catchment area, the proposed forward model, including the new dielectric mixing model, and the proper partitioning factors computed from land surface model physics was able to successfully extract the refined soil texture information from the microwave BT measurements. The highly resolved soil moisture variability based on the refined soil texture will allow us to predict convective precipitation with higher spatial and temporal accuracy in the numerical weather forecasting model. Moreover, microwave remote sensing using the developed forward model, which provides the soil texture, soil moisture, and soil temperature with a fine scale resolution, is expected to open up new possibilities to examine the energy balance closure problem with unprecedented realism.
Zur Verbesserung der Vorhersagen von hydrometeorologischen Modellen unter Verwendung von Fernerkundungsmessungen muss der Unterschied zwischen der Modellwelt und den Messdaten identifiziert werden. Das in dieser Studie vorgeschlagene Vorwärtsmodell erlaubt es uns, Strahlungstemperaturen (BT) mit einem Landoberflächenmodell zu simulieren und mit gemessenen Mikrowellen-BT-Werten zu vergleichen. Ein neues dielektrisches Mischungsmodell wird vorgeschlagen, das den entscheidenden Teil des Vorwärtsmodells ausmacht, der die Modellparameter und die durch Fernerkundung gemessene BT richtig verbindet. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die physikalisch fundierte Berechnung der effektiven Dielektrizitätskonstante auf dem arithmetischen Mittelwert unter Berücksichtigung eines ebenfalls neu vorgeschlagenen universalen Dämpfungsfaktors basieren sollte. Dieses auf den Regeln der Physik basierende dielektrische Mischungsmodell ist dem Brechungsindexmischungsmodell oder dem semi-empirischen Kalibrierungsmodell überlegen wie RMSE-Werte von 0,96 und 0,63 für den Vergleich der vorhergesagten realen bzw. imaginären Teile mit den gemessenen Werten zeigen. Der mit dem neuen Modell erhaltene RMSE ist kleiner als derjenige, den man mit den in der operationalen Mikrowellenfernerkundung verwendeten Brechungsindexmischungsmodellen erhält.
Nach der Quantifizierung der Modellunsicherheit mithilfe des neuen Vorwärtsmodells kann der Modellzustand mithilfe der mittels Fernerkundung gemessenen Werte verbessert werden. Die Herausforderung in diesem Prozess ist es, das schlecht gestellte Inversionsproblem zu lösen (Ableitung mehrerer Modellparameter aus einer BT-Messung). Diese Studie schlägt einen einfachen Partitionierungsfaktor auf Basis der Modellphysik vor. Auch hier ist das Vorwärtsmodell entscheidend, da diese Faktoren im BT-Raum berechnet werden müssen.
In einer Fallstudie im Schäfertal-Einzugsgebiet konnte das vorgeschlagene Vorwärtsmodell, einschließlich des neuen dielektrischen Mischungsmodells und der richtigen Partitionierungsfaktoren berechnet aus der Landoberflächenmodellphysik, erfolgreich verfeinerte Bodentexturinformationen aus den Mikrowellen-BT-Messungen extrahieren. Die hochaufgelöste Bodenfeuchtevariabilität basierend auf der verfeinerten Bodentextur wird es erlauben, konvektiven Niederschlag in numerischen Wettervorhersagemodellen mit höherer räumlicher und zeitlicher Genauigkeit zu prognostizieren. Darüberhinaus wird erwartet, dass die Mikrowellenfernerkundung mit dem entwickelten Vorwärtsmodell, das Bodentextur, Bodenfeuchte und Bodentemperatur in hoher Auflösung liefert, neue Möglichkeiten eröffnet, das Problem der Energiebilanzschließung mit bisher nicht erreichter Detailtreue zu untersuchen.
1473767773
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1225/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1225/pdf/PhD_thesis_Park.pdf
Park, Chang-Hwan
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1257
2016-10-13T07:36:18Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-12574
High-resolution measurements of temperature and humidity fields in the atmospheric boundary layer with scanning rotational Raman lidar
Universität Hohenheim
Lidar
Temperatur
Atmosphäre
Grenzschicht
Feuchtigkeit
Turbulenz
Wasserdampf
Physics
Rotations-Raman-Lidar
Rotational Raman Lidar
boundary layer
The Institute of Physics and Meteorology of the University of Hohenheim (UHOH) operates a scanning rotational Raman lidar (RRL) for high-resolution temperature and water vapor measurements.
The measurement performance of the RRL was improved in several aspects. The statistical error of temperature measurements was reduced by up to 70% through optimization of the filter passbands for various solar background conditions. The optimization method, based on detailed simulations, was written for one specific wavelength and was not applicable to other Raman lidar systems. Therefore the simulation results were parametrized in respect to temperature and background level and expressed in units of wavenumbers. A new interference filter transmitting rotational Raman lines near the excitation wavelength was installed, resulting in a higher transmission and eliminating possible leakage signal. A detection channel for the vibrational Raman line of water vapor was added for the retrieval of water vapor mixing ratios during day-and nighttime. More than 300 hours of temperature and more than 200 hours of water vapor measurements were performed and the acquired profiles used in several publications. Atmospheric variance and higher order moment profiles of the daytime atmospheric boundary layer were derived.
Das Institut für Physik und Meteorologie der Universität Hohenheim (UHOH) betreibt ein scannendes Rotations-Raman-Lidar (RRL) für hochaufgelöste Messungen von Temperatur- und Wasserdampffeldern.
Die Leistungsfähigkeit des Systems bezüglich der Genauigkeit und statistischer Messungenauigkeit konnte erheblich verbessert werden. Der statistische Messfehler wurde bis zu 70% reduziert durch die Abstimmung der detektierten Wellenlängenbereiche auf den Tageslichthintergrund. Die Optimierung basiert auf einer detaillierten Simulation der Rotations-Raman-Linien und der Filterkurven. Die Berechnungen wurden zuerst wellenlängenabhängig durchgeführt und waren daher nicht direkt übertragbar auf andere Ramanlidarsysteme. Deshalb wurden die Ergebnisse der Simulation parametrisiert bezüglich der Temperatur und dem Signalhintergrund und inWellenzahleinheiten angegeben. Ein neuer Interferenzfilter für den Wellenlängenbereich nahe der Anregungswellenlänge wurde eingebaut. Dieser besitzt eine höhere Maximaltransmission und eine erhöhte optische Dichte für die Anregungswellenlänge. Damit kann eine zusätzliches Fehlersignal in Bereichen mit hoher Rückstreuung vermieden werden. Ein Empfangskanal für das Vibrations-Raman-Signal von Wasserdampf ermöglicht die Messung desWasserdampfmischungverhältnisses. Mehr als 300 Stunden Temperaturmessungen und 200 Stunden Wasserdampfmessungen wurden durchgeführt und waren die Basis für mehrere Publikationen. Messdaten mit hoher zeitlicher Auflösung wurden verwendet um Varianzprofile und Profile der höheren Momente in der planetaren Grenzschicht zu ermitteln.
1476188643
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1257/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1257/pdf/Doctoral_Thesis_HammannEva.pdf
Hammann, Eva
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1290
2016-11-21T14:30:14Z
ddc:530
pub-type:8
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3-D observations of absolute humidity from the land surface to the lower troposphere with scanning differential absorption lidar
Universität Hohenheim
Lidar
Wasserdampf
Grenzschicht
Scanning
Troposphäre
Physics
Feuchte
Landoberfläche
Lidar
water vapor
humidity
boundary layer
scanning
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.
1479735014
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1290/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1290/pdf/Spaeth_Doctoral_Thesis_2016_3_D_Observations_of_Absolute_Humidity_with_Scanning_DIAL.pdf
Späth, Florian Heiko
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1354
2017-05-30T13:58:42Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-13544
Studies of soil-vegetation-atmosphere feedback processes with WRF on the convection permitting scale
Universität Hohenheim
Physics
konvektive planetare Grenzschicht
Turbulenzparametrisierungen
Landoberflächen
konvektionserlaubende Skala
DIAL
WRF
convective boundary layer
soil-vegetation-atmosphere feedback processes
convection permitting scale
DIAL
WRF
Land system models which can incorporate land-atmosphere and human-environment interactions are vital for reliable climate projections in heterogeneous agricultural landscapes. At resolutions fine enough to resolve detailed land use, models need a sophisticated representation of planetary boundary layer (PBL) and land surface processes in order to predict changes in key quantities like precipitation or temperatures. Assessment of turbulence schemes and land surface models (LSM) is fundamental therefore not only to advance model development, but also to understand important phenomena like feedbacks within the soil-vegetation-atmosphere (SVA) continuum. Up until now however, a lack of appropriate observations has impeded any comprehensive assessments. Here, through comparisons with so far unique profile measurements, the study investigates the impact of using different PBL schemes and LSMs, and explores how SVA feedbacks are simulated by the model.
Using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, a six member ensemble was run, at a convection permitting resolution, with varying combinations of LSMs (NOAH and NOAH-MP) and PBL schemes (two local and two non-local approaches). The analysis was performed for two case studies a dry and a convective weather situation in three different locations in Germany. During the dry case, key convective PBL (CBL) features were analysed, and the simulations were compared with high resolution water vapour differential absorption lidar measurements. For the convective case, the focus was on exploring the model representation of the pre-convective environment and the ensuing convection and precipitation. In both cases, the nature of the simulated SVA feedback processes was assessed through an innovative mixing diagram approach.
Results show that the nonlocal PBL schemes produce a drier and higher CBL than the local schemes. These results are sensitive to parameters calculated in the surface layer schemes, which are themselves often paired with PBL schemes. Furthermore, the NOAH‑MP LSM produces drier atmospheric conditions than NOAH, with a difference in mixing ratio profiles ranging up to 1.4 gkg-1. These variations are more pronounced in the upper CBL than close to the ground. The mixing diagrams indicate that these deviations are mainly related to entrainment fluxes. In the dry case, NOAH-MPs dry air entrainment is up to 6 times higher than with NOAH, while in the convective case the difference is not as pronounced (up to 1.5 higher with NOAH-MP). This suggests that the difference in the simulation of the CBL between the two LSMs is strongly linked to the surface energy partitioning the higher the Bowen ratio, the greater the difference between the LSMs. Thus, WRF appears to be more sensitive to the choice of LSM at higher Bowen ratios. NOAH and NOAH-MP exhibit marked differences in representing atmospheric variables such as moisture. Those differences are not constrained to the lower atmosphere close to the land surface, but extended to the lower troposphere. The variations in free tropospheric moisture between the LSMs strongly affects the nature of the simulated convection, and associated precipitation. The degree of sensitivity of the spatial variability and amount of the precipitation with respect to the selection of LSM and PBL scheme shows a strong dependence on the analysed region.
A distinct finding of this thesis is the greater sensitivity of WRF with respect to the PBL development to the selection of the LSM, than to the PBL scheme. Furthermore, the impact of this sensitivity is not constrained to the lower CBL, but extends up to the interfacial layer and the lower troposphere - for both dry and convective weather conditions. On the other hand, it is clear that the simulated coupling strength between the land surface and atmosphere is very sensitive to the surface Bowen ratio.
The synergies between high resolution measurements and model simulations, with an advanced representation of the land surface processes, will facilitate not only further development of parameterization schemes, but also an improvement in our understanding of land-atmosphere interactions.
Landsystemmodelle, die Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre sowie Mensch und Umwelt berücksichtigen können, sind für verlässliche Klimaprojektionen in heterogenen, landwirtschaftlich geprägte Regionen von großer Bedeutung. Bei einer Auflösung, die fein genug ist, um eine detaillierte Landnutzung zu berücksichtigen, benötigen Modelle eine differenzierte Darstellung der Prozesse in der planetaren Grenzschicht (PBL) und an der Landoberfläche, um Änderungen von Schlüsselkomponenten wie Niederschlag oder Temperatur vorhersagen zu können. Die Bewertung von Turbulenzparametrisierungen und Landoberflächenmodellen (LSM) ist wesentlich für die Weiterentwicklung von Modellen, aber auch für das Verständnis wichtiger Phänomene wie Rückkopplungen im Boden-Vegetation-Atmosphäre (SVA) Kontinuum. Aufgrund fehlender geeigneter Beobachtungen wurden bisher jedoch aussagekräftige Bewertungen erschwert. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf bisher einzigartigen Profilmessungen der Einfluss der Verwendung unterschiedlicher PBL-Parameterisierungen und LSMen untersucht. Außerdem wird ermittelt, wie SVA-Rückkopplungen im Modell simuliert werden.
Mit dem Weather Research and Forecasting (WRF) Modell wurde ein Ensemble von sechs Modelläufen bei konvektionserlaubender Auflösung mit unterschiedlichen Kombinationen von LSMen (NOAH und NOAH-MP) und PBL-Parametrisierungen (zwei lokale und zwei nicht-lokale Ansätze) verwirklicht. Die Analyse wurde für zwei Fallstudien einer trockenen und einer konvektiven Wetterlage für drei unterschiedliche Standorte in Deutschland durchgeführt. Für die trockene Fallstudie wurden Haupteigenschaften der konvektiven PBL (CBL) analysiert und Simulationen mit hochauflösenden Wasserdampf-Differential Absorption Lidar (DIAL) Messungen verglichen. Bei der konvektiven Fallstudie lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Modelldarstellung des Umfelds vor dem Konvektionsereignis mit anschliessender Konvektion und folgendem Niederschlag. In beiden Fällen wurde das Verhalten der simulierten SVA-Rückkopplungsprozesse basierend auf einem innovativen Mischungsdiagramm-Ansatz beurteilt.
Die Ergebnisse zeigen, dass die nicht-lokalen PBL-Parametrisierungen eine trockenere und höhere CBL erzeugen als die lokalen PBL-Parametrisierungen. Diese Ergebnisse sind abhängig von Parametern, die in den Prandtl-Schicht-Parametrisierungen berechnet werden und häufig selbst mit den PBL-Parametrisierungen verbunden sind. Desweiteren erzeugt das LSM NOAH-MP trockenere Bedingungen in der Atmosphäre als NOAH; der Unterschied beträgt bis zu 1.4 gkg-1 in den Profilen der Mischungsverhältnisse. In der oberen CBL sind diese Unterschiede stärker ausgeprägt als in Bodennähe. Die Mischungsdiagramme weisen darauf hin, dass diese Abweichungen hauptsächlich auf die Entrainment-Flüsse zurückzuführen sind. Bei der trockenen Fallstudie ist das Entrainment der trockenen Luft bei NOAH-MP bis zu 6 mal größer als mit NOAH, während bei der konvektiven Fallstudie der Unterschied schwächer ist (bis zu 1.5 mal höher mit NOAH-MP). Dieses Ergebnis legt nahe, dass der Unterschied der Simulation der CBL zwischen den beiden LSMen stark mit der Aufteilung der Energie an der Landoberfläche verbunden ist je höher das Bowen-Verhältnis, desto höher der Unterschied zwischen den LSMen. Demnach scheint WRF auf die Wahl der LSMe empfindlicher zu reagieren, wenn das Bowen-Verhältnis höher ist. NOAH und NOAH-MP wiesen in Bezug auf den Feuchtegehalt der freien Troposphäre deutliche Unterschiede auf, welche wiederum das Verhalten der simulierten Konvektion und des damit verbundenen Niederschlags stark beeinflussen. Wie sensitiv die räumliche Variabilität und der Niederschlag bezüglich des LSM und der PBL Parametrisierung sind, hängt deutlich von der Region ab.
Ein deutliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Erkenntnis, dass WRF bei der Grenzschichtentwicklung empfindlicher auf die Wahl des LSMs als auf die Wahl der PBL-Parametrisierung reagiert. Zudem ist der Einfluss dieser Sensitivität nicht auf die untere CBL beschränkt, sondern reicht hoch bis zur Inversionsschicht und der unteren Troposphäre sowohl für trockene als auch konvektive Wetterlagen. Andererseits zeigte sich, dass die simulierte Stärke der Kopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre stark vom Bowen-Verhältnis abhängt.
Diese Synergien von hochauflösenden Messungen und Modellsimulationen in Verbindung mit einer verbesserten Darstellung der Landoberflächenprozesse wird nicht nur weitere Parametrisierungsentwicklungen unterstützen, sondern auch unser Verständnis des Zusammenspiels zwischen Landoberfläche und Atmosphäre erweitern.
1496145493
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2017/1354/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2017/1354/pdf/DISS_JOSIPA_MILOVAC.pdf
Milovac, Josipa
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1558
2019-01-24T11:52:58Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-15580
10 W-Average-Power Single-Frequency Ti:sapphire Laser with Tuning Agility A Breakthrough in High-Resolution 3D Water-Vapor Measurement
Universität Hohenheim
Laser
Titan
Saphir
Ringresonator
Thermische Linse
Lidar
DIAL
Fernerkundung
Wasserdampf
Atmosphäre
Spektroskopie
Absorptionslinie
Physics
Titan-Saphir-Laser
Nd:YAG
ECDL
Durchstimmbar
Frequenz-Stabilisierung
Festkörperlaser
Impulslaser
Laserdiode
Meteorologie
Messen
Ti:sapphire laser
high-average-power
single frequency
injection seeding
differential absorption lidar
The differential absorption lidar (DIAL) technique is well suited for measuring the humidity field of the atmosphere with high spatial and temporal resolution as well as accuracy. The water-vapor DIAL of the University of Hohenheim is a mobile, ground-based, scanning system. The DIAL methodology and the application in the Hohenheim-DIAL impose stringent requirements on the laser transmitter. In this thesis, a new laser transmitter was realized and employed. It is a pulsed, actively frequency-stabilized titanium-sapphire laser system, pumped with a Nd:YAG master-oscillator power-amplifier (MOPA) and alternately seeded by two diode lasers.
As pump source, two commercially custom-made, diode-pumped, Q-switched, and frequency-doubled Nd:YAG lasers in MOPA architecture were employed. The relevant properties for pumping the Ti:sapphire laser were studied. The second Nd:YAG MOPA provides a considerably higher average output power (up to P = 63 W at 532 nm, or a pulse energy of up to E = 210 mJ at a repetition rate of f = 300 Hz) and an almost ideal top-hat beam profile. Thus, efficient end-pumping of the Ti:sapphire crystal was enabled without any optical damage.
The components for injection seeding of the titanium-sapphire laser, making narrowband operation at two alternating frequencies (online and offline) possible, were substantially improved. Now, advanced commercial external-cavity diode lasers (ECDL) are applied. With an analog regulation signal of a wavelength meter, the frequency of an ECDL can be stabilized precisely to a defined value (standard deviation < 1 MHz). Optionally, the frequency can be tuned according to various mathematical functions. The online-offline-switching is accomplished with a fiber switch. The crosstalk is extraordinarily low (< -61 dB), the switching time sufficiently short (~ 1.5 ms), and the spatial overlap of the signals, due to the waveguide, almost perfect. The power of the seeders in front of the resonator is more than sufficient, 17-20 mW.
The Ti:sapphire laser consists of a ring resonator with four mirrors in a bow-tie layout. With adequate components, the operation wavelength at 818 nm is pre-selected and unidirectional propagation is ensured. The laser crystal is installed in an in-house-manufactured cooling mount, of which two designs were utilized and compared. The gain-switched Ti:sapphire laser was developed to operate in a dynamically stable state of the thermal lens, which arises in the crystal at high powers. To this end, the resonator was theoretically analyzed beforehand and the focal length of the thermal lens measured. The implementation of a cylindrical lens compensates the stronger contraction of the eigenmode in the tangential plane. By these means, a stable operation with an average output power of P = 10 W (corresponding to E = 33.3 mJ at f = 300 Hz; pulse duration ~ 30 ns) was realized. With a modified configuration of the cylindrical lens a maximum output power of P_max = 11.8 W (E_max = 39.3 mJ) was achieved. These values are the highest which were obtained so far for a laser of this kind, i.e., a laser transmitter whose power originates from a single radiation source (without further amplification or conversion). The laser cavity is actively stabilized to the frequency of the seeder, following a Pound-Drever-Hall technique. This yields permanent single-frequency operation with very high frequency stability (standard deviation < 2 MHz) and a narrow linewidth (< 63 MHz). These results correspond to the resolution limit of the characterizing wavelength meter. Laser emission occurs in the fundamental transverse mode, TEM_00 (M² <= 1.06).
The laser system of the Hohenheim-DIAL has been successfully operated on several field campaigns. Its robustness has been demonstrated, for instance, during an uninterrupted operation for over 30 hours and an overseas transport to the USA which the system endured without damage. This work presents a vertical pointing and two scanning water-vapor DIAL measurements, confirming a high resolution and accuracy. The vertical measurement was executed for the first time at 10 W laser operation. Furthermore, two special DIAL measurements are discussed: The measurements on a strongly backscattering target demonstrate a high spectral purity >= 99.97% of the laser transmitter. Finally, an atmospheric measurement with a tuning online wavelength shows the frequency-agility of the laser and allows to determine the water-vapor absorption line experimentally. The comparison with the spectrum of a database shows a very good agreement (~ 5-10 % deviation in the absorption cross sections absolute value).
Um Messungen des Wasserdampffeldes mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sowie Genauigkeit in der Atmosphäre durchzuführen empfiehlt sich die Technik des Differentiellen Absorptions-Lidars (DIAL). Das Wasserdampf-DIAL der Universität Hohenheim ist ein mobiles, bodengestütztes System mit beweglicher Sende- und Empfangseinheit. Das DIAL-Prinzip und die Anwendung im Hohenheim-DIAL stellen hohe Anforderungen an den Lasertransmitter. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Lasertransmitter realisiert und eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein gepulstes, aktiv frequenzstabilisiertes Titan-Saphir-Lasersystem, welches mittels eines Nd:YAG Master-Oscillator-Power-Amplifiers (MOPA) gepumpt und durch zwei Diodenlaser abwechselnd geseedet wird.
Als Pumpquelle kamen nacheinander zwei kommerzielle Spezialanfertigungen von diodengepumpten, gütegeschalteten und frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasern in MOPA-Architektur zum Einsatz. Die zum Pumpen relevanten Eigenschaften wurden untersucht. Der zweite Nd:YAG-MOPA ist durch seine hohe mittlere Ausgangsleistung (bis zu P = 63 W bei 532 nm bzw. eine Pulsenergie von bis zu E = 210 mJ bei einer Repetitionsrate von f = 300 Hz) und seinem äußerst homogenen Top-Hat-Strahlprofil ideal zum effizienten, beschädigungsfreien Endflächen-Pumpen des Ti:Saphir-Kristalls geeignet.
Die Komponenten zum Injection-Seeding des Titan-Saphir-Lasers, um einen schmalbandigen Betrieb abwechselnd zwischen zwei Frequenzen (Online und Offline) zu erreichen, wurden umfassend überarbeitet und optimiert. Es werden nun moderne, kommerzielle External-Cavity-Diode-Laser (ECDL) verwendet. Ein analoges Regelsignal eines Wellenlängen-Messgeräts kann die Frequenz eines ECDLs präzise stabilisieren (Standardabweichung < 1 MHz). Die Frequenz lässt sich aber auch gemäß diverser Funktionen durchstimmen. Die Online-Offline-Schaltung erfolgt mit einem Faser-Schalter. Das Übersprechen (crosstalk) der Kanäle ist außerordentlich gering (-61 dB), die Schaltzeit ausreichend kurz und die räumliche Übereinstimmung der Signale aufgrund der Wellenleitung nahezu ideal. Die Leistung der Seeder vor dem Laser-Resonator ist mit 17-20 mW mehr als ausreichend.
Der Titan-Saphir-Laser besteht aus einem Ring-Resonator mit vier Spiegeln in Bow-Tie-Anordnung. Mittels geeigneter Komponenten wird die Betriebswellenlänge bei 818 nm vorselektiert und unidirektionale Propagation gewährleistet. Der Laser-Kristall ist in einer eigenentwickelten Kühlerhalterung montiert, wovon zwei Design-Varianten eingesetzt und verglichen wurden. Der gewinngeschaltete Ti:Saphir-Laser ist darauf ausgelegt im dynamisch-stabilen Zustand der thermischen Linse betrieben zu werden, welche sich im Kristall bei hohen Leistungen ausbildet. Hierzu wurde der Resonator durch theoretische Analyse vorab und dem Vermessen der thermischen Linsen-Brennweite entsprechend konzipiert. Die Implementierung einer Zylinderlinse kompensiert die stärkere Modenkontraktion in der tangentialen Ebene. Dies ermöglicht den stabilen Betrieb mit einer mittleren Ausgangsleistung von P = 10 W (entsprechend E = 33,3 mJ bei f = 300 Hz; Pulsdauer ~30 ns). Mit einer modifizierten Zylinderlinsen-Konfiguration wurde eine maximale Leistung von P_max = 11,8 W (E_max = 39,3 mJ) erreicht. Dies sind die höchsten Werte, die für einen derartigen Laser bzw. einen Transmitter, dessen Leistung aus einer einzigen Strahlungsquelle entspringt (keine weitere Verstärkung oder Konversion), bisher erzielt wurden. Der Laser-Resonator wird aktiv auf die Frequenz des Seeders stabilisiert, gemäß einer Pound-Drever-Hall-Technik. Hierdurch wird ein permanenter Single-Frequency-Betrieb bei sehr hoher Frequenzstabilität (Standardabweichung < 2 MHz) und schmaler Linienbreite (< 63 MHz) umgesetzt. Die ermittelten Werte entsprechen der Auflösungsgrenze des charakterisierenden Wellenlängen-Messgeräts. Die Laseremission erfolgt in der transversalen Gauß-Mode TEM_00 (M² <= 1,06).
Das Lasersystem bewährte sich im Hohenheim-DIAL während mehrerer Messkampagnen. Die Robustheit zeigte sich bspw. bei einem ununterbrochenen Betrieb von über 30 Std., sowie einem Überseetransport in die USA, die das System unversehrt meisterte. Es werden exemplarisch eine in Vertikalposition durchgeführte und zwei scannende Wasserdampf-DIAL-Messungen gezeigt, welche eine hohe Auflösung und Genauigkeit demonstrieren. Die Vertikalmessung wurde erstmals bei einer Laser-Betriebsleistung von 10 W durchgeführt. Ferner werden zwei spezielle DIAL-Messungen behandelt: Mit Messungen auf ein stark zurückreflektierendes Objekt konnte eine hohe spektrale Reinheit von >= 99,97% nachgewiesen werden. Schließlich wird durch eine Atmosphärenmessung bei kontinuierlich durchgestimmter Online-Wellenlänge die Frequenz-Agilität des Lasers veranschaulicht und die Wasserdampf-Absorptionslinie experimentell bestimmt. Der Vergleich mit dem Spektrum aus einer Datenbank zeigt eine sehr gute Übereinstimmung (~ 5-10% Abweichung im Absolutwert des Absorptionslinien-Wirkungsquerschnitts).
1548150378
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2019/1558/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2019/1558/pdf/Metzendorf_2018_Dissertation_Hohenheim.pdf
Metzendorf, Simon
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1754
2020-08-03T10:40:24Z
ddc:530
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A backscatter lidar forward operator for aerosol-representing atmospheric chemistry models
Universität Hohenheim
Vulkanasche
Lidar
Aerosol
Luftfahrt
Eyjafjallajökull
Atmosphäre
Modell
Physics
Vorwärtsoperator
Ceilometernetzwerk
Validierung
Streueigenschaften
Forwardoperator
Ceilometernetwork
validation
scattering properties
State-of-the-art atmospheric chemistry models are capable of simulating the transport and evolution of aerosols and trace gases but there is a lack of reliable methods for model validation and data assimilation. Networks of automated ceilometer lidars (ACLs) could be used to fill this gap. These networks are already used for the detection of clouds and aerosols, providing a 3D dataset of atmospheric backscatter profiles. But as the aerosol number concentration cannot be obtained from the ACL data alone; one needs a backscatter-lidar forward model to simulate lidar profiles from the model variables. Such an operator allows then for a qualitative and quantitative model validation based on ACL data. In this work, a newly developed backscatter-lidar forward operator and the related sensitivity studies are presented and results of the forward operator applied on model output data are compared to measured ACL profiles in the frame of a case study. As case study, the eruption of the Icelandic volcano Eyjafjallajökull in 2010 was chosen and extensively analyzed. The Consortium for Small-scale Modeling - Aerosols and Reactive Trace gases (COSMO-ART) model of DWD (Deutscher Wetterdienst) was operated during this event for ash-transport simulations over Europe. For the forward model, the attenuated backscatter coefficient is used as lidar-independent variable, which only relies on the laser wavelength. To calculate the attenuated backscatter coefficient, the size-dependent aerosol number concentration and the scattering properties of each aerosol type and size have to be simulated. While the aerosol number concentration is a model output variable, the scattering properties were determined by extensive scattering calculations. As these scattering calculations require assumptions about the aerosol refractive indices and shapes, sensitivity studies were performed to estimate the uncertainties related to the particle properties as represented by the model system. An analysis of the particle shape effect for the extinction and backscatter coefficients resulted in huge differences of the scattering properties between spherical, ellipsoidal and cylindrical particle shapes. Due to a particle shape mixture in typical volcanic ash plumes, the application of non-spherical scattering calculation methods for estimating the effective optical properties requires more information related to the particle shape distribution (specifically: a particle size and shape distribution). As such information was not available for the present case study, it was necessary to assume spherical shaped volcanic ash particles but estimate the uncertainty related to this assumption within the frame of additional sensitivity studies. Finally, the forward modeled lidar profiles were compared to ACL measurements from stations of the German ACL network. The comparison required an extraction of common time and height intervals of the ACL and forward modeled COMSO-ART data as well as reshaping the datasets to the same vertical and temporal resolution. Significant differences between ACL profiles and the output of the forward operator applied to the COSMO-ART data were found. Some ash layer structures were at similar coordinates which is remarkable due to the uncertainties related to the model dynamics and the limited amount of measurement data that could be used for model validation. In detail, however, the major fraction of the compared time and height interval differed both in the relative signal intensity and the layer structures of the volcanic ash plume. Based on such quantitative comparison, a future data assimilation system could correct the model prediction of the forward modeled attenuated backscatter coefficient, the time of arrival, as well as the vertical structure of the volcanic ash plume.
In summary, the continuous and distributed data stream provided by ACL stations was found to deliver valuable verification information for dispersion simulations of aerosol events. But major issues have been determined which limit current realizations of backscatter-lidar forward operators for aerosol transport simulations: First, it is suggested that the ACL systems improve their dynamic range and perform automatic calibration to increase the precision of ACL data and for calculating the measured attenuated backscatter coefficient with a minimum leftover of uncertainties. This will allow for the calculation of the attenuated backscatter coefficient in the presence of clouds as well as of faint aerosol signals. Second, the aerosols scattering properties have to be analyzed even more extensively which includes both the variety of aerosol sizes or types as well as the size distribution information. From the findings within this study, the particle size distribution was indentified to be a critical component when using monodisperse size classes.
Atmosphärenchemie-Modelle der aktuellen Generation können Transportvorg"ange und chemische Veränderungen von Aerosolen und Spurengasen in der Atmosphäre simulieren und prognostizieren. Die Qualität und Validität der Simulation lässt sich mit den derzeit vorhandenen Messmitteln nur unzureichend beurteilen - geschweige denn mittels Datenassimilation verbessern, da umfassende und zuverlässig verfügbare Validierungsdaten sowie Validierungsmethoden praktisch nicht vorhanden sind. Einen Lösungsansatz stellen Netzwerke aus automatisierten Ceilometer-Lidarsystemen dar. Diese Systeme werden üblicherweise für die Erkennung von Wolken eingesetzt, eignen sich jedoch auch für die Erkennung von Aerosolschichten wie Vulkanasche, Saharastaub und weiteren Aerosolarten. Diese Daten sind jedoch nicht direkt für die Validierung von Aerosoltransport-Vorhersagen verwendbar, da die Aerosolkonzentration einzelner Größenklassen oder Größenverteilungen nicht - oder nur unter bestimmten Annahmen - aus den Rückstreuprofilen ableitbar ist. Ein alternativer Ansatz besteht in der Simulation von Lidarprofilen auf Basis der vom Vorhersagemodell berechneten Atmosphärensituation und dem anschließenden Vergleich der simulierten und gemessenen Lidarprofile. Eine Implementierung eines solchen sogenannten Rückstreulidar-Vorwärtsoperators ist Gegenstand dieser Arbeit; ebenso die Analyse der Unsicherheiten im Rahmen von Sensitivitätsstudien sowie Vergleiche zwischen vorwärtsmodellierten Modell-Prognoseergebnissen und gemessenen Rückstreuprofilen im Fall des Vulkanausbruchs des Eyjafjallajökull (Island) im Jahr 2010. Hierfür wurden Simulationsergebnisse des Atmosphärenchemie-Modells COSMO-ART (Consortium for Small-scale Modeling - Aerosols and Reactive Trace gases) verwendet. Die in COSMO-ART mittels monodisperser Größenklassen beschriebenen Vulkanaschedaten bewirken eine sehr hohe Sensitivität der simulierten Streueigenschaften, sodass Methoden für eine repräsentative Berechnung der Rückstreuquerschnitte von Vulkanasche bei Verwendung von monodispersen Größenklassen entwickelt werden mussten. Als gemeinsame physikalische Messgröße der gemessenen und simulierten Lidarprofilen wurde der sogenannte abgeschwächte Rückstreukoeffizient (engl.: attenuated backscatter coefficient) verwendet, da diese Größe - mit Ausnahme der eingesetzten Wellenlänge des emittierten Lichts - unabhängig von den Eigenschaften des simulierten Lidargeräts ist. Für die Berechnung des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten müssen die Streueigenschaften und Anzahldichten jeder relevanter, vom Modell abgebildeter Aerosolart berechnet werden. Während die Anzahl an Vulkanascheteilchen pro Größenklasse eine Ausgabegröße von COSMO-ART ist, waren für die Bestimmung der Streueigenschaften der im Modell vorhandenen Aerosolarten und -größenklassen umfangreiche Streuberechnungen nötig. Die Unsicherheiten der simulierten Lidarprofile wurden im Rahmen von Sensitivitätsstudien bezüglich komplexem Brechungsindex, Partikelform sowie Schwankungen der emittierten Wellenlänge des Lasers quantifiziert. Nach Anwenden des Vorwärtsoperators auf die Simulationsergebnisse von COSMO-ART und Berechnen des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten aus Messdaten des Deutschen Ceilometernetzwerks wurden Modellprognose und Messung qualitativ und quantitativ miteinander verglichen. Der Vergleich an der Ceilometer-Station Deuselbach ergab signifikante Unterschiede zwischen Simulation und Messung: Die erkannten Ascheschichten und -strukturen waren nicht nur in ihrer Form und Position unterschiedlich, sondern auch in den absoluten Werten des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten. Anhand dieser Arbeit konnten wesentliche Aspekte identifiziert werden, die die Validierung von Simulationsergebnissen mittels ACL Messungen unter Verwendung eines Rückstreu-Lidar Vorwärtsoperators bisher stark einschränken und für zukünftige Validierungsansätze zu deutlich aussagekräftigeren Ergebnissen führen werden: Die Erweiterung des dynamischen Messbereichs sowie eine automatisierte und transparente Kalibrierung der Ceilometer ist unabdingbar, um die Qualität des Referenzdatensatzes selbst zu verbessern. Eine Verbesserung der Vorwärtsoperator-Qualität wird primär durch weitere Analysen und Optimierungen zur Berechnung der effektiven Streueigenschaften der Aerosolklassen und -Arten erreicht, aber auch durch das Optimieren der Aerosol-Repräsentation im Vorhersagemodell. Dies beinhaltet sowohl das Erweitern der abgebildeten Aerosolarten (insbesondere Hintergrundaerosol) als auch der Optimierung der Aerosoldarstellung im Sinne von Modalen Darstellungen oder einer besseren Auflösung bestimmter Größenklassenbereiche. Vorhersagen zur Vulkanascheverteilung können jedoch mit dem hier vorgestellten Rückstreu-Lidar Vorwärtsoperator basierend auf reinen Rückstreuprofil-Messungen bestehender ACL Systeme bewertet und verifiziert bzw. falsifiziert werden.
1596444024
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2020/1754/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2020/1754/pdf/Dissertation_Armin_Geisinger.pdf
Geisinger, Armin
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie
oai:opus.uni-hohenheim.de:1837
2021-07-26T12:32:35Z
ddc:530
pub-type:8
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urn:nbn:de:bsz:100-opus-18377
Large eddy simulations of the thermodynamic budgets in a small catchment
Universität Hohenheim
LES <Strömung>
Atmosphärische Grenzschicht
Hydrometeorologie
Evapotranspiration
Turbulenz
Physics
Large Eddy Simulation
Planetary Bondary Layer
Hydrometeorology
Evapotranspiration
Turbulence
In this study, the regional water and energy budgets at the land surface and the
planetary boundary layer (PBL) were simulated for three different real case studies. Nested large eddy simulation (LES) experiments with the WRF-NOAHMP-HYDRO
model were conducted for real cases. The LES was operated for two different sites,
the Kraichgau and the Ammer catchment which are both located in the southwest of
Germany, covering one full diurnal cycle for each case study.
In dieser Arbeit wurden die regionalenWasser und Energiehaushalte an der Landoberfläche und der planetaren Grenzschicht für drei unterschiedliche Fallstudien simuliert. Hierzu wurden mit dem WRF-NOAHMP-HYDRO-Modell genestete Grobstruktursimulationen (LES) durchgeführt. Die LES-Experimente lieferten den kompletten Tagesgang für zwei unterschiedliche Regionen, den Kraichgau und das Einzugsgebiet der Ammer, beide in Südwestdeutschland.
1627295555
eng
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2021/1837/
http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2021/1837/pdf/Dissertation_Stephan_Adam_Opus.pdf
Adam, Stephan
Universität Hohenheim, Fakultät Naturwissenschaften. Institut für Physik und Meteorologie