Atmospheric-boundary-layer height retrieval using microwave radiometer and lidar sensors : algorithms and error estimation
Authors:   , Saeed Umar 
Published: October 2023

The Atmospheric Boundary Layer Height (ABLH) is an important parameter in weather forecasting, meteorology, avionics, and air-quality and dispersion models. Local development of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) over the full diurnal cycle is a function of several parameters which, among others, include geographical location of the place, its topography, time of the year, and day and night conditions. There are several remote sensing instruments and methods to retrieve the ABLH, however, none of these can fully measure ABL development under all atmospheric conditions.
This Ph.D. thesis deals with estimation of the ABLH over the full diurnal cycle, which includes day-time mixing layer, nocturnal stable boundary layer, and morning/evening transition boundary layer, by using ground-based microwave-radiometer (MWR) and ceilometer (lidar principle) remote-sensing instruments as well as related signal processing techniques. ABLH estimates from Doppler lidar and radiosondes are used as references. Aim of this thesis is also to combine data from these two instruments, thus, exploiting their individual strengths and overcoming their limitations. In this context, this thesis has been structured around three main goals:
First, a synergetic method for estimation of the Mixing Layer Height (MLH) is presented. Towards this end, uncertainties in the MLH derived from backscattered ceilometer signals and MWR-retrieved potential temperature profiles are analysed and compared. While the Extended Kalman Filter (EKF) is used as adaptive filter to process backscattered lidar signals from the ceilometer, the parcel method is used with the MWR-retrieved potential temperature profile. Finally, the two methods are combined into a new methodology for synergetic MLH retrieval.
Second, methods for the estimation of the nocturnal Stable-Boundary-Layer Height (SBLH) from ceilometer and MWR data, in stand-alone and in synergetic fashion, are investigated. The SBLH from ceilometer backscattered lidar signals is retrieved by using Minimum Variance Regions (MVRs) as signatures of aerosol stratification in the SBL. For the MWR, idealized physical models from the literature are used to estimate the SBLH. Next, a synergetic SBLH retrieval method is developed, which combines measurement data from both instruments.
Finally, a preliminary study on the feasibility of Large Eddy Simulation (LES) as a tool for understanding the ABL is presented. To this end, LES-simulated lidar backscatter and potential temperature profiles are compared against instrumental measurements. In addition, a new method for direct retrieval of the MLH from LES-simulated brightness temperature measurements is presented, hence, alleviating the need for physical temperature retrieval first. The impact of retrieval errors on MLH estimates is also investigated.
The techniques developed in this Ph.D. have been tested in the HOPE measurement campaign (Jülich, Germany), where different test cases under different atmospheric conditions have been considered.
La altura de Capa Límite Atmosférica ("Atmospheric Boundary Layer Height", ABLH) es un parámetro importante en la predicción del tiempo, la meteorología, la aviónica, y los modelos de calidad del aire y dispersión. El desarrollo local de la Capa Límite Atmosférica (ABL) durante el ciclo diurno completo es una función de múltiples parámetros que, entre otros, incluyen la ubicación geográfica del lugar, su topografía, época del año, y las condiciones de día y de noche. Existen múltiples instrumentos de teledetección y métodos para recuperar la ABLH, sin embargo, ninguno de ellos es capaz de medir completamente el desarrollo de la ABL bajo cualquier condición atmosférica. Esta tesis doctoral versa sobre la estimación de la ABLH durante el ciclo diurno completo (capa de mezcla diurna, capa límite estable nocturna, y capa límite en la transición mañana / tarde), mediante radiómetros de microondas (MWR) y ceilómetros (principio lidar) como instrumentos terrestres de teledetección, así como las técnicas de procesado de la señal relacionadas. Como referencia se utilizan las estimaciones de la ABLH procedentes de lidar Doppler y radiosondeos. Meta de esta tesis es también la combinación de los datos procedentes de estos dos instrumentos a fin de explotar sus fortalezas individuales y superar sus limitaciones. En este contexto, la tesis se estructura en torno a tres objetivos principales: En primer lugar, se presenta un método sinérgico para la estimación de la altura de la capa de mezcla (MLH). Con este fin, se analizan y comparan las incertezas en la estimación de la MLH obtenida a partir de las señales retrodispersadas medidas por el ceilómetro y los perfiles de temperatura recuperados por el MWR. Mientras que el filtro de Kalman extendido (EKF) se utiliza como filtro adaptativo para procesar las señales de retrodispersión lidar del ceilómetro, el "parcel method" se utiliza para tratar el perfil de temperatura potencial recuperado por el MWR. Por último, los dos métodos se combinan en una nueva metodología para la recuperación sinérgica de la MLH. En segundo lugar, se investigan métodos, no sinérgicos y sinérgicos, para la estimación de la altura de la capa límite estable (SBLH) nocturna a partir de datos procedente del ceilómetro y del MWR. La SBLH a partir de la señales retrodispersadas medidas por el ceilómetro se recupera utilizando Regiones de Mínima Varianza (MVR) como trazadores de la estratificación de los aerosoles en la SBL. Para el MWR, se utilizan modelos físicos idealizados de la literatura para estimar la SBLH. A continuación, se desarrolla un método sinérgico de recuperación de la SBLH que combina las medidas de ambos instrumentos. Por último, se presenta un estudio preliminar sobre la viabilidad del Large Eddy Simulation (LES) como herramienta de estudio de la ABL. En esta línea, los perfiles de retrodispersión lidar y los perfiles de temperatura potencial simulados mediante LES se comparan con las medidas procedentes de estos dos instrumentos. Además, se presenta un nuevo método para la recuperación directa de la MLH a partir de mediciones de temperatura de brillo simuladas mediante LES, lo cual, evita la necesidad de recuperar el perfil de temperatura física primero. También se investiga el impacto de los errores de inversión en las estimaciones de la MLH. Las técnicas desarrolladas en esta tesis doctoral han sido probadas en la campaña de medidas HOPE (Jülich, Alemania), donde se han considerado diferentes casos de prueba bajo diferentes condiciones atmosféricas
L'altura de Capa Límit Atmosfèrica ("Atmospheric Boundary Layer Height", ABLH) és un paràmetre important en la predicció del temps, la meteorologia, l'aviònica, i els models de qualitat de l'aire i dispersió. El desenvolupament local de la Capa Límit Atmosfèrica (ABL) durant el cicle diürn complet és una funció de múltiples paràmetres que, entre d'altres, inclouen la ubicació geogràfica del lloc, la seva topografia, època de l'any, i les condicions de dia i de nit. Hi ha múltiples instruments de teledetecció i mètodes per recuperar la ABLH, però, cap d'ells és capaç de mesurar completament el desenvolupament de l'ABL sota qualsevol condició atmosfèrica. Aquesta tesi doctoral versa sobre l'estimació de la ABLH durant el cicle diürn complet (capa de mescla diürna, capa límit estable nocturna, i capa límit en la transició matí / tarda), mitjançant radiòmetres de microones (MWR) i ceilòmetres (principi lidar) com a instruments terrestres de teledetecció, així com les tècniques de processament del senyal relacionades. Com a referència s'utilitzen les estimacions de la ABLH procedents de lidar Doppler i radiosondatges. Meta d'aquesta tesi és també la combinació de les dades procedents d'aquests dos instruments a fi d'explotar les seves fortaleses individuals i superar les seves limitacions. En aquest context, la tesi s'estructura al voltant de tres objectius principals: En primer lloc, es presenta un mètode sinèrgic per a l'estimació de l'alçada de la capa de mescla (MLH). Amb aquesta finalitat, s'analitzen i comparen les incerteses en l'estimació de la MLH obtinguda a partir dels senyals retrodispersats mesurats pel ceilòmetre i els perfils de temperatura recuperats pel MWR. Mentre que el filtre de Kalman estès (EKF) s'utilitza com a filtre adaptatiu per processar els senyals de retrodispersió lidar del ceilòmetre, el "parcel method" s'utilitza per tractar el perfil de temperatura potencial recuperat pel MWR. Finalment, els dos mètodes es combinen en una nova metodologia per a la recuperació sinèrgica de la MLH.En segon lloc, s'investiguen mètodes, no sinèrgics i sinèrgics, per a l'estimació de l'alçada de la capa límit estable (SBLH) nocturna a partir de dades procedent del ceilòmetre i del MWR. La SBLH a partir dels senyals retrodispersats mesurats pel ceilòmetre es recupera utilitzant Regions de Mínima Variància (MVR) com a traçadors de l'estratificació dels aerosols a la SBL. Pel MWR, s'utilitzen models físics idealitzats de la literatura per estimar la SBLH. A continuació, es desenvolupa un mètode sinèrgic de recuperació de la SBLH que combina les mesures de tots dos instruments.Finalment, es presenta un estudi preliminar sobre la viabilitat del Large Eddy Simulation (LES) com a eina d'estudi de l'ABL. En aquesta línia, els perfils de retrodispersió lidar i els perfils de temperatura potencial simulats mitjançant LES es comparen amb les mesures procedents d'aquests dos instruments. A més, es presenta un nou mètode per a la recuperació directa de la MLH a partir de mesuraments de temperatura de brillantor simulades mitjançant LES, la qual cosa, evita la necessitat de recuperar el perfil de temperatura física primer. També s'investiga l'impacte dels errors d'inversió en les estimacions de la MLH.Les tècniques desenvolupades en aquesta tesi doctoral han estat provades en la campanya de mesures HOPE (Jülich, Alemanya), on s'han considerat diferents casos de prova sota diferents condicions atmosfèriques.