High-resolution measurements of temperature and humidity fields in the atmospheric boundary layer with scanning rotational Raman lidar

Abstract

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.