Исследователи разработали набор лидарных инструментов на основе диодов, которые могут помочь заполнить важные пробелы в метеорологических наблюдениях и способствовать прорыву в понимании, моделировании и прогнозировании погоды и климата. Инструменты особенно хорошо подходят для понимания динамики атмосферы в мезомасштабе, диапазоне размеров, эквивалентном площади небольшого города до размера U. С. состояние.
Сотрудники из Университета штата Монтана (МГУ) в Бозмане и Национального центра атмосферных исследований (NCAR) в Боулдере, штат Колорадо, обсудят работу во время Конгресса оптических датчиков и зондирования Оптического общества, который состоится с 25 - 27 июня в Сан-Хосе, Калифорния, на выставке Sensors Expo 2019.
На данный момент команда создала пять диодных микроимпульсных лидаров с дифференциальным поглощением (DIAL) - приборов MPD, для краткости - для профилирования водяного пара в нижней тропосфере, области атмосферы, где больше всего погодных условий. имеет место. Приборы на основе диодных лазеров работают в диапазоне длин волн от 650 до 1000 нанометров, преимущественно в инфракрасном спектре. Приборы можно использовать как днем, так и ночью, практически без присмотра, без риска повреждения глаз человека.
«Сеть из пяти приборов MPD для водяного пара была развернута для измерения атмосферной радиации в атмосферной обсерватории Южных Великих равнин в середине апреля», - сказала член группы Кэтрин Банн.«Из этого трехмесячного полевого эксперимента мы получим представление о том, как на прогнозирование погоды могут повлиять непрерывные измерения MPD водяного пара в атмосфере.
Заполнение пробелов в мониторинге
Несколько отчетов Национальной академии наук, инженерии и медицины и других групп экспертов за последнее десятилетие выявили острую потребность в вертикальном измерении профилей влажности, аэрозолей и температуры в нижней тропосфере. Эксперты также призывают к созданию «сети сетей» для сбора и обмена этими данными. Чтобы обеспечить необходимый охват для улучшения прогнозирования погоды и климата в США, в одном отчете предлагалось разместить ряд наземных датчиков примерно в 400 точках по всей стране, расположенных на расстоянии примерно 125 километров друг от друга..
Однако существует пробел в инструментарии, чтобы соответствовать этому видению исследований и мониторинга, не полагаясь на бортовые устройства, развертывание которых дорого. Основываясь на предыдущих работах других команд и сотрудничая с учеными NCAR, разработчики приборов MSU обратились к технологии MPD на основе диодов как к экономичному пути к профилировщику, который мог бы выполнять точные измерения и соответствовать требуемым спецификациям для непрерывной работы без присмотра 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 меняется при взаимодействии света с водяным паром, измеряется с помощью модулей подсчета одиночных фотонов. Все пять инструментов 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 загрязнению воздуха и фотохимии на переднем крае (FRAPPE). Прибор измерил вертикальный профиль водяного пара со средней ошибкой менее 10 процентов в диапазоне атмосферных условий по сравнению с профилями, собранными бортовыми устройствами. Он также работал без присмотра в течение 50 дней во время FRAPPE без видимого снижения производительности, обеспечивая около 95-процентного охвата данных.
Исследователи также продвинулись в вертикальном профилировании двух других важных особенностей нижней тропосферы: аэрозолей и температуры. На основе архитектуры MPD исследователи NCAR создали новый лидар с высоким спектральным разрешением (HSRL), способный определять профиль аэрозолей. В дополнение к этой работе физик МГУ адаптировал математические методы из квантовой механики для решения уравнения, которое открывает двери для использования 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 взвешенных в воздухе частиц, HSRL может обеспечивать измерения, необходимые для точного высокочастотного профилирования температуры.
Во время июньского Конгресса исследователи планируют представить последние новости о своей работе по профилированию температуры и другие обновления своего оборудования. На данный момент Банн сказал: «Мы начинаем получать профили температуры нижней тропосферы с точностью +/- 2 Кельвина и работаем над улучшением работы инструментов и алгоритмов поиска».