Ableitung von Temperaturen aus RMR-Lidar Messungen

Wann immer das Wetter es erlaubt werden mit dem IAP RMR-Lidar bzw. dem ALOMAR RMR-Lidar Messungen durchgeführt. Die aufgezeichneten Daten werden für das ALOMAR-Lidar teilweise direkt in der Online-Auswertung der RMR-Lidar Messungen dargestellt. Weitergehende Analysen werden offline von den Wissenschaftlern am IAP durchgeführt.

Auf dieser Seite wird an einem Beispiel dargestellt wie aus den Rohdaten einer Messung vom 13./14. Februar 2005 ein mittleres Temperatur-Profil für diese Nacht berechnet wird. Dazu werden zunächst die gesamten Messdaten zwischen 17 UT und 5 UT aufsummiert. Im weiteren wird dann nur das Signal der Kanäle für das grüne Licht bei 532 nm benutzt, weil unser Lidar für diese Wellenlänge optimiert ist und das stärkste Signal hat. Die aufsummierten Rohdaten des RMR-Lidars bei 532 nm für diese Nacht sind im linken Diagramm in Abbildung 1 gezeigt.

Ableitung von relativen Luftdichte-Profilen

Das Rohsignal des Lidars auf 532 nm wird durch Rayleigh-Streuung an Luftmolekülen und Mie-Streuung an Aerosolen verursacht. Zusätzlich gibt es einen Untergrund verursacht durch Licht aus der Atmosphäre (Sterne und Mond in der Nacht, gestreutes Sonnenlicht am Tag) sowie durch das elektronische Rauschen der Detektoren und Zähler. Die folgenden Effekte müssen berücksichtigt werden, wenn aus den Rohdaten ein relatives Luftdichte-Profil abgeleitet wird (siehe Ausgleichsfaktoren im rechten Diagramm in Abbildung 1):

  • Totzeit

    Als Detektoren werden Photomultiplier (PMT) und Lawinen-Photodioden (APD) im Photonen-Zählmodus eingesetzt. Diese haben eine maximale Zählrate, bis zu der einzelne Photonen aufgelöst werden können. Da die Streuung in der Atmosphäre ein statistischer Prozess ist, kann diese maximale Zählrate auch schon erreicht werden, wenn die mittlere Zählrate deutlich kleiner ist. Wird die maximale Zählrate überschritten, gehen eintreffende Photonen verloren und werden nicht gezählt. Dieser Effekt skaliert mit der Zählrate und ist deshalb im rechten Diagramm in Abbildung 1 für die drei Kanäle einzeln angegeben.
  • Geschwenkte Teleskope

    Sind die Teleskope während der Messung aus der Vertikalen geschwenkt, verlängert sich der Lichtweg durch die Atmosphäre. Da die Zählelektronik mit festen Zeit-Bins arbeitet, verändert sich im geschwenkten Betrieb auch die Höhenauflösung. Beides wird bei der Auswertung berücksichtigt.
  • Rayleigh-Extinktion

    Bei der Ausbreitung der Laser-Pulse nach oben in der Atmosphäre und des rückgestreuten Lichts nach unten zu den Teleskopen werden ständig Photonen an Luftmolekülen gestreut und gehen dem Strahl verloren. Diese sogenannte Rayleigh-Extinktion muss bei der Auswertung ausgeglichen werden, um das wahre Luftdichte-Profil abzuleiten (siehe orange Linie im rechten Diagramm in Abbildung 1).
  • Ozon-Extinktion

    Auch das stratosphärische Ozon führt zu einer Extinktion, insbesondere auf der grünen Wellenlänge, die berücksichtigt werden muss. Dazu werden Ozon-Profile aus einer Klimatologie benutzt (grüne Linie im rechten Diagramm in Abbildung 1).
  • Untergrund-Abzug

    Oberhalb von 120 km kann der konstante Untergrund der Rohdaten für jeden Kanal einzeln bestimmt werden. Dieser wird dann in allen Höhen von den Rohdaten abgezogen.
  • Raumwinkel

    Dies ist ein geometrischer Effekt, der sich aus dem unterschiedlichen Raumwinkel ergibt, den die Teleskope für Streuzentren in verschiedenen Höhen abdecken. Die Korrektur geht quadratisch mit dem Abstand zwischen Teleskop und Streuzentrum und wird deshalb auch z2-Korrektur genannt (schwarze Linie im rechten Diagramm in Abbildung 1).
  • Zusammensetzen der Einzelprofile

    Schließlich werden die drei Einzelprofile des hohen, mittleren und niedrigen Kanals bei 532 nm zusammengesetzt und ergeben dann ein durchgehendes Profil von 20 km bis 105 km (siehe linkes Diagramm in Abbildung 2). Oberhalb der stratosphärischen Aerosolschicht (>30 km) ist dieses Profil dann proportional zur Luftdichte in der Atmosphäre.

Das so abgeleitete relative Luftdichte-Profil wird dann im Folgenden weiter benutzt. Zur Bestimmung der absoluten Dichte müsste man die Systemkonstante des RMR-Lidars kennen sowie die Transmission der unteren Atmosphäre. Wie im nächsten Abschnitt gezeigt wird ist dies aber für die Berechnung des Temperatur-Profils nicht nötig.

Berechnung des Temperatur-Profils

Aus den relativen Luftdichte-Profilen können im aerosolfreien Teil der Atmosphäre (>30 km) unter der Annahme hydrostatischen Gleichgewichts Temperatur-Profile berechnet werden. Dort kann die Temperatur T in einer Höhe z aus dem Luftdichte-Profil n berechnet werden als

wobei hier noch das Molekulargewicht von Luft M, die Boltzmann-Konstante kB und die Erdbeschleunigung g eingehen. Zusätzlich werden die Luftdichte n0 in der Starthöhe z0 sowie eine Start-Temperatur T0 benötigt. Letztere wird der NRLMSISE00-Referenzatmosphäre oder im Falle des Kühlungsborner RMR-Lidars den Messungen des K-Lidars entnommen. Da in der obigen Formel nur Luftdichte-Verhältnisse vorkommen kann direkt das mit dem Lidar gemessene relative Luftdichte-Profil eingesetzt werden, ohne dass die Systemkonstante des Lidars bestimmt werden muss. Zwei Beispiele für so aus RMR-Lidar Messungen berechnete Temperatur-Profile bei 69° N sind in Abbildung 3 gezeigt. Dort sind zum Vergleich auch Temperatur-Profile aus Messungen mit einer meteorologischen Rakete und einer Radiosonde, sowie aus ECMWF-Analysen eingezeichnet. Sie zeigen dass die verschiedenen Methoden übereinstimmende Temperaturen ergeben. Die Ursache für die noch vorhandenen Abweichungen zwischen den verschiedenen Messinstrumenten ist die unterschiedliche zeitliche und vertikale Auflösung der Messinstrumente. Die ECMWF-Analysen zeigen am oberen Rand des Modells teilweise große Abweichungen. Diese wurden im Vergleich von RMR-Lidar Messungen mit ECMWF-Analysen näher untersucht.

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Rohdaten

Abbildung 1: Beispiel einer Nachtmessung vom 13./14. Februar 2005 17 UT–5 UT. Links: Aufsummierte Rohdaten aus dem hohen (rot), mittleren (violett) und niedrigen (blau) Kanal bei 532 nm. Die scharfe Kante am unteren Rand wird vom elektronisches Gating der Detektoren verursacht; im oberen Teil der Profile sieht man den konstanten Untergrund. Rechts: Ausgleichsfaktoren für die verschiedenen Effekte, die berücksichtigt werden müssen, um aus den Rohdaten des RMR-Lidars ein relatives Luftdichte-Profil abzuleiten.

Dichten und Temperaturen

Abbildung 2: Beispiel einer Nachtmessung vom 13./14. Februar 2005 17 UT–5 UT. Links: Zusammengesetztes Profil der relativen Luftdichte zwischen 20 km und 105 km. Rechts: Berechnetes Temperatur-Profil für diese Nacht (rot) mit statistischem Fehler (grau), Veränderung des Temperatur-Profils bei Änderung der Start-Temperatur um ±20 K (violett) und mittleres Temperatur-Profil aus der NRLMSISE00- Referenzatmosphäre (schwarz gestrichelt).

Temperaturvergleich

Abbildung 3: Zwei Beispiele für Temperatur-Profile aus Messungen mit dem RMR-Lidar am 30./31. September 2002 und 7. November 2002 (durchgezogene rote und blaue Linie). Zum Vergleich sind das Temperatur-Profil aus einer Messung mit einer meteorologischen Rakete (fallende Kugel, orange gestrichelte Linie) und einer Radiosonde (violette gestrichelte Linie) eingezeichnet. Zusätzlich sind noch die entsprechenden Temperatur-Profile aus den operationellen ECMWF-Analysen (rote und blaue Quadrate) gezeigt.