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«Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) Fakultät Naturwissenschaften Universität Hohenheim Institut ...»

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A mobile, scanning eye-safe lidar for the study

of atmospheric aerosol particles and

transport processes in the lower troposphere

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades

der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)

Fakultät Naturwissenschaften

Universität Hohenheim

Institut für Physik und Meteorologie

Vorgelegt von

Sandip Pal

aus Cooch Behar, Indien

This thesis was accepted as a doctoral dissertation in fulfillment of the requirements for the degree

“Doktor der Naturwissenschaften” by the Faculty of Natural Sciences at the University of Hohenheim, Stuttgart, Germany on 4 December 2008.

Date of oral examination: 23 January 2009

Examination committee:

Supervisor and reviewer: Prof. Dr. V. Wulfmeyer Institute for Physics and Meteorology, University of Hohenheim Co-reviewer: Prof. Dr. Th. Foken Institute for Micrometeorology, University of Bayreuth Additional examiner: Prof. Dr. K. Jetter Institute for Applied Mathematics and Statistics, University of Hohenheim Dean: Prof. Dr. H. Breer Faculty of Natural Sciences, University of Hohenheim Abstract A high-power eye-safe scanning aerosol lidar system in the ultraviolet wavelength region is introduced for the study of the optical properties of aerosol particles and transport processes in the atmosphere, especially in the atmospheric boundary layer (ABL). This system operates with an average power of 9 W in combination with a 40-cm scanner with a speed of up to 10° s-1. A modified version of the lidar inversion algorithm is developed for the retrieval of optical properties of aerosols from scanning lidar measurements. The lidar data can be analyzed with previously unachieved temporal and spatial resolution of 0.03 s and 3 m, respectively.

New methods are developed for both scanning and non-scanning lidar systems to study the evolution and structure of the convective boundary layer (CBL). Three advanced techniques namely: logarithm gradient method, inflection point method, and the Haar wavelet transform method are demonstrated for determining the instantaneous CBL height from the high-resolution lidar measurements. The Haar wavelet-based approach is found to be a robust technique for the automated detection of the ABL height. Vertical lidar measurements over an urban valley-like location provided the ABL top to be within 0.7–2.3 km above ground level (AGL). The mean entrainment zone thickness for the quasi-steady CBL is of about 75 m. The aerosol load showed high variability both for a quasi-stationary well-mixed CBL and a CBL during its rapid growth in the morning. The fast Fourier transform based spectral analysis of the instantaneous CBL height time series has yielded a spectral exponent value of 1.502 ± 0.08314, confirming non-stationary behavior of CBL in the morning.

Higher-order moments are calculated with respect to fluctuations of the particle backscatter coefficients for well-mixed CBL conditions under which hygroscopic growth of the aerosol particles can be neglected. The variance spectra show an f- -5/3 roll-off (inertial subrange) inside the quasi-steady CBL. It is demonstrated that the major part of the inertial subrange is detected and that the integral scale (60-70 s) is significantly larger than the temporal resolution of the lidar system. Consequently, the major part of turbulent fluctuations is resolved. Vertical distribution of the variance, skewness, and kurtosis have reflected the turbulence features with an accuracy that is mainly limited by sampling errors due to turbulence statistics. Negative values of skewness are found inside the CBL while positive values are found in the entrainment zone near the top of the CBL for the quasi-stationary regime. But for the case of a rapidly growing CBL, skewness profile has shown a high variability even inside the CBL, most probably due to the presence of a rapid growth rate of 4-5 m/minute, non-stationarity, and strong residual layer above the CBL.

The optical properties of aerosol particles emitted from a faint source (a livestock farm, located in flat terrain) are determined by means of spatially and temporally high-resolved scanning lidar measurements in combination with a high-resolved atmosphere-microphysics-chemistry model and in-situ aerosol measurements at ground. Both model and lidar results have yielded the particle backscatter coefficient of the aerosol plume to be of about 30 % higher than that of the background aerosol load near the facility. Results show a high spatial and temporal variability of the plume. The lifting height of the plume is found to be of about 20 m AGL near the source and of about 115 m AGL over long distances up to 3 km due to transport in downwind. The aerosol plume has caused an increase of the aerosol number density downwind of up to 5 % in the lowermost 50 m of the ABL.

Combined high-resolution measurements of aerosol optical properties and temperature field over a complex mountainous region with the rotational Raman lidar revealed undulating aerosol-rich layers in the preconvective environment and a gradual warming trend of the lower troposphere as the nearby storm system evolved. Simultaneous measurements of particle backscatter and extinction coefficients, and respective lidar ratios confirm the presence of different particle types in different altitudes. Lidar ratios inside the CBL are found to vary around 35 sr. High-resolution scanning and vertical measurements has shown the CBL height to vary between 0.8 and 1.2 km over the mountain peak. Measurements of aerosol distributions and collocated Doppler lidar derived wind field confirm mountain induced flow modifications.





RHI scan measurements of aerosol optical properties and temperatures showed some more features that were consistent with ascending air motion due to overflow over the ridge. The aerosol layers showed the terrain following flow features. The particle backscatter coefficient is found to be slightly increased within a potential temperature tongue. Small-scale wave structures are determined from the wavelet spectra of the time series of the lidar signal intensity at cirrus layer. Lidar ratio values between the altitudes of cirrus cloud base (5.2 km) and top (8 km) show high vertical variability with a minimum and maximum values of 3 sr and 25 sr, respectively.

i

Zusammenfassung

Zur Untersuchung optischer Eigenschaften von Aerosolpartikeln und Transportprozessen in der Atmosphäre, speziell in der atmosphärischen Grenzschicht (atmospheric boundary layer, ABL), wird ein augensicheres Hochleistungs-Scanning-Lidarsystem im ultravioletten Wellenlängenbereich vorgestellt. Das System arbeitet mit einer durchschittlichen Leistung von 9 W in Kombination mit einem 40 cm Scanner mit einer Geschwindigkeit bis zu 10° s-1. Eine modifizierte Version des Lidar-Inversionsalgorithmus zur Rekonstruktion der optischen Eigenschaften von Aerosolpartikeln aus den Scanning-Lidar-Messungen wird entwickelt. Die Lidar-Daten können mit einer bisher nicht erreichten zeitlichen und räumlichen Auflösung von 0,03 s bzw. 3 m analysiert werden.

Zur Untersuchung von Entwicklung und Struktur der konvektiven Grenzschicht (convective boundary layer, CBL) werden neue Verfahren, sowohl für scannende als auch für nicht-scannende Lidar-Systeme, entwickelt. Zur Bestimmung der Höhe der instantanen CBL aus den hochaufgelösten Lidar-Messungen werden drei fortschrittliche Techniken, und zwar: die Methode des logarithmischen Gradienten, die Inflection-PointMethode und die Wavelet-Transformation nach Haar, angewendet. Die auf Wavelets basierende Methode nach Haar zeigte bemerkenswert gute Resultate. Vertikale Lidar-Messungen über einem städtischen talähnlichen Messplatz ergaben eine Obergrenze der ABL zwischen 0,7 km und 2,3 km über Grund. Die abgeschätzte mittlere Dicke der Entrainmentzone für die quasistabile CBL war etwa 75 m. Die Aerosolpartikelbeladung zeigte eine hohe Variabilität sowohl für eine quasistationäre gut durchmischte CBL wie auch für eine CBL während des schnellen morgendlichen Anwachsens der Schicht. Die auf einer Fast-Fourier-Transformation basierende spektrale Analyse der Höhe der instantanen CBL ergab einen spektralen Exponentenwert von 1,502±0,0314, was das nicht-stationäre Verhalten der CBL am Morgen bestätigt.

Für gut durchmischte CBL-Bedingungen unter denen hygroskopisches Wachstum der Aerosolpartikel vernachlässigt werden kann, Momente höherer Ordnung unter Berücksichtigung von Fluktuationen des Partikelrückstreukoeffizienten berechnet. Die Varianz-Spektren zeigen ein von f -5/3 Roll-Off (Inertialbereich) im Innern der quasistabilen CBL. Es wird gezeigt, dass der Großteil des Inertialbereichs nachgewiesen wird und dass die integrale Skala (60 s –70 s) signifikant größer ist als die zeitliche Auflösung des Lidar-Systems. Folglich wird der Großteil der turbulenten Fluktuationen aufgelöst. Die vertikale Verteilung von Varianz, Schiefe und Wölbung spiegelt die Turbulenzeigenschaften mit einer Genauigkeit wider, die hauptsächlich durch Fehler aufgrund der Turbulenzstatistik bestimmt wird. Negative Werte der Schiefe finden sich im Innern der CBL, während positive Werte in der Entrainmentzone nahe der Obergrenze der CBL im quasistationären Bereich beobachtet werden. Im Fall einer schnell anwachsenden CBL zeigte das Schiefe-Profil jedoch selbst im Innern der CBL eine hohe Variabilität, höchstwahrscheinlich aufgrund einer hohen Anwachsrate von 4 m –5 m / Minute, der NichtStationarität und einer starken Restschicht oberhalb der CBL.

Die optischen Eigenschaften der Aerosolpartikel einer schwachen Quelle (ein Bauernhof mit Viehhaltung in ebenem Gelände) werden mittels Messungen mit räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Scanning-LidarMessungen, in Kombination mit einem hochauflösenden Atmosphären-Mikrophysik-Chemie-Modell und in situ Aerosolpartikel-Messungen am Boden bestimmt. Sowohl die Modell- als auch die Lidar-Ergebnisse ergaben, dass der Partikelrückstreukoeffizient der Abluftfahne etwa 30 % höher ist als der Partikelrückstreukoeffizient der Hintergrund-Aerosolpartikelbeladung nahe der Anlage. Die Ergebnisse zeigen eine große räumliche und zeitliche Variabilität in der Aerosolpartikel-Abluftfahne. Die Anhebung der Aerosolpartikel-Abluftfahne ergibt sich zu etwa 20 m über Grund in Quellennähe und zu etwa 115 m über weite Entferungen bis zu 3 km aufgrund des Transports in Windrichtung. Die Aerosolpartikel-Abluftfahne bewirkte ein Anwachsen der AerosolpartikelAnzahldichte in Windrichtung von bis zu 5 % in den untersten 50 m der ABL.

Kombinierte hochauflösende Messungen von Aerosolpartikel-Eigenschaften und Temperaturfeldern mit dem Rotations-Raman-Lidar über einem komplexen bergigen Gebiet machten einerseits wellenförmig verlaufende aerosolpartikelreiche Schichten in der präkonvektiven Umgebung, sowie einen graduellen Erwärmungstrend der unteren Troposphäre, während sich das nahegelegene Sturmsystem entwickelte, deutlich. Simultane Messungen von Partikelrückstreu- und Extinktionskoeffizienten und entsprechenden Lidar-Verhältnissen bestätigen die Anwesenheit verschiedener Arten von Aerosolpartikeln in verschiedenen Höhen. Die Lidar-Verhältnisse im Innern der CBL variieren um einen Wert von 35 sr. Mit hochaufgelösten Scanning- und Vertikalmessungen ergab sich eine CBL-Höhe zwischen 0,8 km und 1,2 km über der Bergspitze. Messungen des Aerosolpartikel-Verteilung und aus Doppler-Lidar ermittelte Windfelder bestätigen durch die Berge induzierte Flussmodifikationen.

RHI-Scan Messungen von Temperatur und optischen Eigenschaften der Aerosolpartikel zeigten einige weitere Merkmale, die mit der Bewegung der Luft über den Bergrücken hinweg konsistent sind. Die Aerosolpartikel-Schichten zeigten Flussmerkmale, die dem Gelände folgen. Der Partikelrückstreukoeffizient zeigte sich innerhalb eines ‘tounges’ der potentiellen Temperatur leicht erhöht. Kleinskalige Wellenstrukturen werden aus den Wavelet-Spektren der Zeitreihen der Rückstreuintensität an Cirrusschichten bestimmt. Werte der Lidarverhältnisse zwischen Cirruswolkenuntergrenze (5,2 km) und Obergrenze (8 km) zeigen hohe vertikale Variabilität mit einem Minimalwert von 3 sr und einem Maximalwert von 25 sr.

–  –  –

vi Acknowledgement With great pleasure, I express my deep sense of gratitude and heartfelt thanks to my supervisor Prof. Dr. Volker Wulfmeyer, Director, Institute of Physics and Meteorology, University of Hohenheim, for giving me the opportunity to conduct the research that was the basis for this dissertation. I am grateful for his untiring efforts, valuable guidance, keen interest and encouragement throughout the course of this work.

I take this opportunity to thank my co-advisor Dr. Andreas Behrendt, Head of the lidar group, Institute of Physics and Meteorology, University of Hohenheim, for enormous help that he had extended from time to time during the period of the work. His scientific vision and enormous encouragement at each step provided me a terrific help to finish this work.

I thank Alvaro Valdebenito, Max Planck Institute of Meteorology, Hamburg, Germany and Dr.

Gerhard Lammel, Max Planck Institute of Meteorology; Hamburg, Germany who contributed the LES results and helped to fulfill all the goals of the collaborative project, an important part of this dissertation.

A special thanks belongs to Marcus Radlach, a member of our lidar group, for his friendly support during the various stages of lidar development and experiments. It was a nice experience to work with him.

I acknowledge with thanks the supports from Dr. Andrea Riede and Max Schiller of our lidar group during the COPS field campaign in 2007.

I am grateful to Dr. Christoph Senff, NOAA, USA for providing several IDL tools and fruitful discussion during data analysis.

My thanks are also due to Mr. Heinz Bauer and Mr. Olaf Tapfer for their help during development of data analysis and data acquisition tools.

Thanks to Prof. Roland Wurster and Ms. Küffer for their hard work on the analysis of mass spectra of particle samples collected during PLUS1 campaign. Moreover, Prof. Wurster was kind to proof read my thesis.

Many colleagues at our institute helped me in one way or another including Gerd Wagner, Matthias Grzeschik, Thomas Schwitala, Florian Zus, and Dr. H. -S. Bauer.

I appreciate the help from our colleagues Andreas Wieser and Pieter Groenemeijer at Karlsruhe Institute of Technology, Germany, for proving me the Doppler lidar data and satellite images.



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