LIDAR und Ceilometer

LIDAR-Instrumente werden bei MeteoSchweiz genutzt, um kontinuierlich vertikale Profile von Feuchtigkeit, Temperatur und Aerosolen zu messen. LIDAR (Light Detection And Ranging) ist eine der wenigen Technologien, welche mithilfe von Laserstrahlen die extrem hohe zeitliche und vertikale Variabilität von Wasserdampf auflösen kann. Dies ist relevant, weil Wasserdampf das wichtigste Treibhausgas in der Atmosphäre ist.

LIDAR-Geräte senden Laserstrahlen in die Atmosphäre, wo sie mit Molekülen und Partikeln reagieren. Ein Teil der Strahlung wird auf die Erdoberfläche zurückgeworfen und kann gesammelt und analysiert werden. Auf diese Weise lassen sich Feuchtigkeit, Temperatur und die Streueigenschaften von Aerosolen ableiten. An der aerologischen Station in Payerne betreibt MeteoSchweiz zwei verschiedene Arten von LIDAR-Instrumenten. Mit einem sogenannten Raman-LIDAR werden Feuchte-, Temperatur- und Aerosolprofile erstellt. Daneben sind Ceilometer (elastische Rückstreu-LIDARs) im Einsatz, die Wolkenbasis und Aerosolprofile liefern.

Raman-LIDAR: Wasserdampf-, Temperatur- und Aerosolprofile

Beim Raman-LIDAR handelt es sich um ein operationelles LIDAR-System, das kontinuierlich Profile des Wasserdampf-Mischungsverhältnisses, der Temperatur und von Aerosol-Streueigenschaften misst. Die genaue Bezeichnung lautet RALMO (Raman LIDAR for Meteorological Observation). Die Entwicklung des LIDARs und dessen Installation in Payerne wurde durch eine Zusammenarbeit von MeteoSchweiz mit der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) und dem Schweizerischen Nationalfonds (SNF) ermöglicht. Das RALMO-System ist seit 2008 im operationellen  Betrieb und läuft völlig automatisch. Das Wasserdampfprodukt wurde umfangreich mit Radiosonden verglichen und somit validiert.

Bild eines Laserstrahl und zweier Linsen, in welchen das Licht grün leuchtet.
Raman-LIDAR
Eine Grafik, welche den Laserstrahl, die Rückstrahlung in der Atmosphäre und das Empfangen des Signals vereinfacht darstellt.
Vereinfachtes Schema zur Funktionsweise

Der LIDAR liefert Daten mit hoher Auflösung (vertikal 3,75 m, zeitlich  rund 60 Sekunden). Die Echtzeit-Profile von Wasserdampf, Temperatur und optischen Aerosoleigenschaften fliessen in das Data Warehouse von MeteoSchweiz. Die LIDAR Messungen sind von Bedeutung für die Wetterprognose, die Modellierung des Klimawandels und für Trendanalysen von Wasserdampf- und Aerosolgehalt in der Troposphäre.

Der Betrieb von RALMO

Das System ist in einer Kabine installiert, die über zwei Räume verfügt.  Im ersten Raum ist das LIDAR-System untergebracht. Der Laser-Strahl wird durch ein spezielles Fenster im Dach ausgesendet. Das zurückgestreute Licht gelangt durch mehrere Fenster in das Teleskop und wird dann registriert. Die Computer, um das System zu betreiben, stehen im zweiten Raum. Der Betrieb des LIDARs wird bei Regen und tiefliegenden Wolken automatisch unterbrochen.

Zeichnung der Kabine; erkennbar der Laser in der Bildmitte und das Teleskop links.
LIDAR-Kabine. Der Laserstrahl wird umgelenkt und durch ein spezielles Fenster im Dach in die Atmosphäre geleitet. Mittels Teleskop wird die Rückstrahlung eingefangen und anschliessend analysiert.

Resultate von RALMO

LIDAR-Daten werden als Zeitreihe von vertikalen Wasserdampf-Profilen dargestellt. So ist die grosse Variabilität des Wasserdampfes gut erkennbar. In der Nacht sind Wasserdampf-Messungen bis in eine Höhe von 10 km möglich. Tagsüber limitiert die starke Sonneneinstrahlung den Messbereich auf 4 km.

Das LIDAR Ceilometer CHM15K

Zur Messung von Aerosolprofilen setzt MeteoSchweiz auch Ceilometer des Typs CHM15K ein. Es nutzt ebenfalls eine Laserquelle. Damit werden Rückstreuprofile zwischen 0,03 und 15 km über dem Boden mit einer vertikalen Auflösung von 15 m gemessen. Bis zu einer Reichweite von 15 Kilometern erkennt das Gerät zuverlässig Wolkenschichten und Cirruswolken. Nebst Wolkenbasis werden auch Aerosolinformationen, Grenzschichthöhe und Sichtweite bestimmt. Mit den Rückstreudaten des CHM15K werden Echtzeit-Informationen über die geometrischen und optischen Eigenschaften der verschiedenen Aerosolschichten generiert. Die Ceilometer sind Teil des Europäischen Ceilometer Netzwerkes E-PROFILE von EUMETENT.

In der untenstehenden Grafik ist die komplexe Schichtung der unteren Troposphäre am 30. März 2014 zu erkennen. An diesem Tag wurden zwei verschiedene Luftschichten in die Schweiz transportiert. In einer Schicht von 4 bis 6 km ist Staub von der Sahararegion zu erkennen, der im Tagesverlauf absinkt. In Höhen zwischen 1.5 und 3 km ist verschmutzte Luft zu erkennen (rot und gelb markiert), die von der Po Eben in Norditalien herantransportiert wurde.