Новые лидарные инструменты заглядывают в небо в поисках подсказок о погоде и климате: дистанционное измерение температуры, влажности и частиц в воздухе, технология стремится заполнить пробелы в метеорологических данных США

Сотрудники из Университета штата Монтана (MSU) в Бозмане и Национального центра атмосферных исследований (NCAR) в Боулдере, штат Колорадо. обсудит работу во время Конгресса оптических датчиков и зондирования Оптического общества, который состоится 25-27 июня в Сан-Хосе, Калифорния., во время выставки Sensors Expo 2019.
На данный момент команда создала пять диодных микроимпульсных лидаров дифференциального поглощения (DIAL), сокращенно MPD, для профилирования водяного пара в нижней тропосфере, области атмосферы, где чаще всего наблюдаются погодные условия.

Приборы на основе диодных лазеров работают в диапазоне длин волн от 650 до 1000 нанометров, в основном в инфракрасном спектре. Инструменты можно использовать как днем, так и ночью, в основном без присмотра, без риска повреждения глаз человека.
«Сеть из пяти приборов MPD для водяного пара была развернута в обсерватории для измерения атмосферной радиации на Южных Великих равнинах в середине апреля», – сказала член группы Кэтрин Банн. «Из этого трехмесячного полевого эксперимента мы получим представление о том, как на прогноз погоды могут повлиять непрерывные измерения MPD водяного пара в атмосфере.
Заполнение пробелов в мониторинге

Несколько отчетов Национальных академий наук, инженерии и медицины и других экспертных групп за последнее десятилетие выявили острую необходимость в вертикальных профилях измерения влажности, аэрозолей и температуры в нижней тропосфере. Эксперты также призывают к созданию «сети сетей» для сбора и обмена этими данными. Обеспечить необходимое покрытие для улучшения прогнозов погоды и климата на территории США.S., в одном отчете предлагалось развернуть массив датчиков на земле примерно в 400 точках по всей стране, расположенных на расстоянии примерно 125 километров друг от друга.
Тем не менее, существует пробел в инструментах, чтобы соответствовать этому видению исследований и мониторинга, не полагаясь на авиационные устройства, развертывание которых обходится дорого.

Опираясь на предыдущую работу других групп и сотрудничая с учеными NCAR, разработчики приборов MSU обратились к диодной технологии MPD в качестве экономичного пути к профилировщику, который мог бы выполнять точные измерения и выполнять желаемые спецификации для непрерывной, автоматической работы и безопасности для глаз.
Демонстрация ценности в поле
Исследователи разработали пять различных инструментов, основанных на общей архитектуре, в которой лазерные импульсы отправляются в атмосферу, а обратный сигнал, который изменяется при взаимодействии света с водяным паром, измеряется с помощью модулей счета одиночных фотонов.

Все пять приборов находятся в рабочем состоянии, а два были задействованы в наземных экспериментах по исследованию погоды и климата.
Один прибор, разработанный совместно учеными МГУ и NCAR, был использован в рамках эксперимента по изучению загрязнения воздуха и фотохимии на переднем расстоянии (FRAPPE).

Инструмент измерял вертикальный профиль водяного пара со средней погрешностью менее 10 процентов в диапазоне атмосферных условий по сравнению с профилями, полученными с помощью бортовых устройств. Он также работал без присмотра в течение 50 дней непрерывно во время FRAPPE без видимого снижения производительности, обеспечивая около 95% покрытия данных.

Исследователи также продвинулись к вертикальному профилированию двух других интересных особенностей нижней тропосферы: аэрозолей и температуры. На основе архитектуры MPD исследователи NCAR создали новый лидар с высоким спектральным разрешением (HSRL), способный профилировать аэрозоли. В дополнение к этой работе физик МГУ адаптировал математические методы из квантовой механики для решения уравнения, которое открывает дверь к использованию измерений свойств молекул кислорода и других атмосферных данных для создания вертикального температурного профиля.

Модели и предварительные эксперименты показывают, что в дополнение к измерению водяного пара и других частиц в воздухе, HSRL может обеспечивать измерения, необходимые для мелкозернистого высокочастотного профилирования температуры.
Во время июньского конгресса исследователи планируют предоставить последнюю информацию о своей работе по профилированию температуры и другие обновления своих приборов. На данный момент Банн сказал: «Мы начинаем извлекать профили температуры нижней тропосферы с точностью +/- 2 Кельвина, и мы работаем над улучшением производительности инструментов и алгоритмов поиска.»