Spatial distribution of aerosol particles in and above the planetary boundary layer studied by scanning LIDAR measurements
Creators: name: Zhang, Hengheng
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Aerosol
LIDAR
Boundary layer
Model validation

description: Die räumliche Verteilung von Aerosolpartikeln hat großen Einfluss auf die Luftverschmutzung durch anthropogene Emissionen aber auch auf das globale Klima, indem der Strahlungsantrieb entweder direkt oder über Aerosol-Wolken-Wechselwirkung verändert wird. Daher ist es unerlässlich, die räumlich-zeitliche Verteilung von Aerosolpartikeln und die Prozesse, die zu diesen Verteilungen führen (z. B. Quellen, Senken und Transport), zu untersuchen. Derzeit ist es aufgrund instrumenteller Einschränkungen noch schwierig, hochauflösende und quantitative Aerosolverteilungen zu erhalten. Schwenkbare Aerosol-Lidare sind jedoch in der Lage, dreidimensionale Aerosolverteilungen zu messen und Auswerteunsicherheiten im Vergleich zu herkömmlichen, vertikal ausgerichteten Lidaren zu verringern. Das in dieser Dissertation verwendete schwenkbare Aerosol-Lidar ermöglichte es mir daher, hochaufgelöste und quantitative Aerosolverteilungen zu bestimmen. Diese Lidardaten helfen zusammen mit anderen Messungen, Aerosol-Grenzschicht-Wechselwirkungen sowie Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen besser zu verstehen. Zur Untersuchung der räumlich-zeitlichen Verteilung und Eigenschaften von Aerosolen sowie der Grenzschichtdynamik wurde ein umfangreicher Datensatz mit Fernerkundungsmethoden, in-situ-Messungen in Bodennähe sowie mit Drohnenflügen (UAV) und auf Ballons gesammelt und analysiert . Darüber hinaus habe ich diese Beobachtungsdaten verwendet um zwei Transportmodelle zu validieren. Das LES-Model PALM-4U, das die Entwicklung der Grenzschicht und des städtischen Aerosols in der Stadt Stuttgart simuliert und das Transportmodell ICON-ART, das den überregionalen Transport von Saharastaub beschreibt. Zunächst habe ich eine neue Methode entwickelt, um Lidar-Verhältnisse auf der Grundlage von Lidar-Messungen unter mindestens zwei verschieden Winkel abzuleiten, was die Unsicherheiten gegenüber traditionellen Methoden erheblich verringern könnte. Die neu vorgeschlagene Methode wurde für eine Saharastaubwolke angewendet und das abgeleitete Lidar-Verhältnis stimmt mit dem überein, das durch die klassische Raman-Methode erhalten wurde. Darüber hinaus habe ich die Lidarauswertung durch Vergleich mit in-situ-Messungen auf Bodenhöhe, bei Drohnenflügen in und über der Grenzschicht, sowie auf einem Ballonflug in die Stratosphäre validiert. Die gute Übereinstimmung zwischen Auswertungen mit der neu entwickelten Software und der Single-Calculus-Chain-Referenzsoftware sowie den in-situ-Messungen ist ein klarer Indikator für die hohe Qualität der Lidar-Messdaten und der verwendeten Methodik. Zweitens wurde die Dynamik der städtischen Grenzschicht und die Luftqualität im städtischen Hintergrund von Stuttgart charakterisiert. Dazu habe ich Daten des schwenkbaren Lidars mit einem Doppler-Wind-Lidar, einem Radiometer, Radiosonden sowie einer Sammlung von bodennahen in-situ-Methoden (Größenverteilungen, Meteorologische Parameter, Aerosolzusammensetzung) verglichen. Die vom schwenkbaren Aerosol-Lidar gemessene Grenzschichtstruktur zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Radiosondenanalyse mit einer Steigung der Korrelation von 1,102 $\pm$ 0,135 und einem Pearson-Korrelationskoeffizienten von 0,860. Die bodennahen Aerosolkonzentrationen korrelieren dabei mit den Mischungschichthöhen, aber sind antikorreliert mit den nächtlichen Grenzschichthöhen. Stagnierende atmosphärische Bedingungen mit Temperaturinversion, geringer Windgeschwindigkeit und einer flachen Grenzschicht führten zu einer Ansammlung von bodennahen Aerosolen insbesondere im Winter. Dies ist einer der Hauptgründe für die hohe Luftverschmutzung in Städten wie Stuttgart. In einer Fallstudie konnte ich zeigen, dass Wolken in einer vorangegangenen Nacht das Wachstum der Grenzschicht nach Sonnenaufgang beschleunigen können, indem sie die thermische Struktur der nächtlichen Grenzschicht verändern. Darüber hinaus verwende ich die Beobachtungsdaten zur Validierung des Large-Eddy-Simulationsmodells PALM-4U, dass die Entwicklung der Grenzschicht und die räumlich-zeitliche Verteilung von Aerosolen in diesem Stadtgebiet mit einer räumlichen Auflösung von 10 m simuliert. Drittens habe ich die Entwicklung und die Eigenschaften einer Saharastaubwolke untersucht, wobei Fernerkundungsmethoden (Aerosol-Lidar, Sonnenphotometer), in-situ-Messungen (Aerosolgrößenverteilungen) und das Transportmodell ICON-ART für vier verschiedene Saharastaubfälle in Westeuropa kombiniert wurden. Im Vergleich zu den Fernerkundungsmessungen sagt das Transportmodell die Ankunftszeiten der Wolke ($\pm$ 20 min), ihre Schichthöhen ($\pm$ 50 m) und Strukturen für drei Fälle recht gut voraus, während für einen Fall signifikante Unterschiede in der Staubschichthöhe beobachtet wurden. Die modellierten Rückstreukoeffizienten des Staubs zeigen unter der Annahme von nicht kugelförmigen Staubpartikeln eine gute Übereinstimmung mit Lidardaten für eine Wellenlänge von 355 nm. Außerdem fand ich erste Hinweise darauf, dass Saharastaubfahnen niederschlagshemmend wirken können. Ich habe in dieser Dissertation die Grenzschichtdynamik und die räumlich-zeitlichen Verteilungen von Aerosolpartikeln hauptsächlich unter Verwendung eines schwenkbaren Aerosol-Lidars untersucht. Die Informationen zu den räumlich-zeitlichen Aerosolverteilungen ermöglichten es mir, Aerosoleigenschaften und die Entwicklung der atmosphärischen Grenzschicht in städtischen und ländlichen Gebieten im Winter bzw. Sommer zu untersuchen. Diese Arbeit liefert neue Einblicke in die Anwendung des schwenkbaren Aerosol-Lidars, in die Qualität seiner Daten, in die Dynamik der bodennahen Grenzschicht, in die Qualität der Modelle ICON-ART und zukünftig PALM-4U, sowie zu Aerosolverteilung und deren Auswirkungen auf Luftqualität, Wetter und Klima.