Das Leipzig Aerosol and Cloud Remote Observations System LACROS

Das Leipzig Aerosol and Clouds Remote Observations System (LACROS) ist eine kombinierte mobile Aerosol- und Wolkenfernerkundungsanlage. Es besteht aus Wolkenradar, Raman- und Doppler-Lidar sowie zusätzlichen Instrumenten für die passive und aktive Fernerkundung. Die gleichzeitigen, kontinuierlichen Beobachtungen ermöglichen die Entwicklung und Anwendung hochentwickelter Algorithmen, indem Synergien zwischen den Instrumenten genutzt werden (Abb. 1). Die mobile Erkundungsplattform wurde bereits für Beobachtungen an den TROPOS-Standorten in Leipzig und Melpitz sowie für Feldexperimente an globalen Hotspots wie Zypern und Südchile eingesetzt.

Motivation

Die zahlreichen ungelösten Fragen zur Wechselwirkung zwischen Aerosolpartikeln und Wolken und die damit verbundenen indirekten Auswirkungen auf Niederschlag und Strahlungstransport erfordern neue Messstrategien, um die beteiligten atmosphärischen Prozesse aufzuklären. In dieser Hinsicht ist die Gewinnung von synergetischen Informationen über Wolken- und Aerosoleigenschaften aus Multi-Instrumenten- und damit Multi-Sensor-Beobachtungen ein wichtiger Ansatz zur Überwindung des derzeitigen Wissensmangels. Aus diesem Grund wird die mobile Multi-Instrumenten-Plattform LACROS von der Abteilung Fernerkundung atmosphärischer Prozesse am TROPOS betrieben.

Instrumente

LACROS umfasst ein einzigartiges mobiles Instrumentarium aktiver und passiver Fernerkundungsinstrumente. Die Sensoren decken die Wellenlängenbereiche von UV- bis Mikrowellenstrahlung ab und ermöglichen so die Charakterisierung von Aerosol, Wolken und Strahlung.

Der Stand der Instrumentierung von LACROS im November 2021 ist in Abbildung 2 dargestellt.

Aktive Sensoren sind:

• ein 35-GHz scannendes polarimetrisches Wolken-Dopplerradar Mira-35
• ein Multiwellenlängen-Raman-Polarisationslidar PollyXT
• ein 2-µm Dopplerlidar Streamline^XR
• ein 1064-nm Ceilometer CHM 15kx
• ein 24-GHz Mikro-Regenradar

Passive Sensoren umfassen:

• ein 14 kanäliges Mikrowellenradiometer HATPRO
• ein optisches 1-d Niederschlags-Disdrometer PARSIVEL²
• ein AERONET-kompatibles Sonnenphotometer CE318
• eine BSRN kompatible Strahlungsstation
• und eine all-sky-Bildgerät

Zu den passiven Instrumenten, die bei der Auswertung der aktiven Fernerkundungsmessungen helfen, gehören ein Sonnenphotometer des Aerosol Robotic Network (AERONET), das Mikrowellenradiometer HATPRO, das auch zwei Infrarotradiometer umfasst, und ein All-Sky-Bildgerät.

Meteorologische Bodendaten und Radiosonden sind zusätzlich im Rahmen von Feldkampagnen verfügbar. Messungen einer Strahlungsbilanzstation, die die Kriterien des Baseline Surface Radiation Network (BSRN) erfüllt, sind verfügbar. Zur Bestimmung der Niederschlagseigenschaften zeichnet ein optisches Disdrometer die Geschwindigkeit und Größenverteilung von fallenden Hydrometeoren im Größenbereich von 0,1 bis 10 mm in 4 m Höhe über Grund auf.

Anwendungsgebiete

Die verfügbaren Lidar-Systeme messen die optischen und mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolen und optisch dünnen Wolken, vertikale Winde in Aerosolschichten und an der Wolkenbasis sowie Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile. Die Integration des Wolkenradars in LACROS überwindet die Beschränkung der Lidar-Systeme, nur wolkenfreie und dünne Wolken (Cirrus, Altocumulus) zu beobachten. Sie ermöglicht weitreichende Einblicke in die mikrophysikalischen und dynamischen Prozesse dicker stratiformer und konvektiver Wolken und damit die Untersuchung der Tröpfchenaktivierung und Niederschlagsbildung in konvektiven Wolkensystemen. Diese Errungenschaft wird neue Verbindungen zwischen atmosphärischen Messungen, Laborstudien und Modellierungsaktivitäten ermöglichen. Die derzeitige Anwendung von LACROS konzentriert sich auf vier Hauptthemen:

1. Untersuchung heterogener Eisbildungsprozesse durch Nutzung von Fernerkundungsbeobachtungen der Strahlungs- und mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolen und Wolken an verschiedenen Standorten.

2. Validierung von Instrumenten und Entwicklung von Algorithmen und neuen Messtechniken für bodengestützte Abfragen der Wolken- und Aerosolmikrophysik im Rahmen des Aerosols, Clouds, and Trace gases Research InfraStructure Network (ACTRIS). Derzeitige Aktivitäten betreffen die Entwicklung einer Dual-Field-of-View-Lidar-Technik zur Ableitung von Informationen über die Größe von Wolkentröpfchen, die Ermittlung von mikrophysikalischen Eigenschaften von Aerosolen aus kombinierten Lidar- und Sonnenphotometermessungen, die Ermittlung von mikrophysikalischen Eigenschaften von Mischphasenwolken, wie z. B. Form, Anzahl, Konzentration und Größe von Eiskristallen, und die Entwicklung eines Systems zur separaten Messung von vertikalen Luftbewegungen und der Fallgeschwindigkeit von Hydrometeoren. In diesem Zusammenhang wurden die Cloudnet-Algorithmen am TROPOS implementiert. Cloudnet bietet bereits einen Rahmen für die Bestimmung der Wolkenmikrophysik aus Fernerkundungsbeobachtungen, aber weitere Erweiterungen sind erforderlich, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu verbessern. Cloudnet bildet somit die Grundlage für anspruchsvollere Algorithmen wie die oben genannten.

3. Die ständig wachsende Zahl weltraumgestützter Sensoren für die Wolken- und Aerosolcharakterisierung bedeutet auch einen Bedarf an bodengestützten Beobachtungsstationen, die Datensätze für die Validierung der abgeleiteten Produkte liefern. Außerdem kann die Kombination von boden- und weltraumgestützten Messungen die Unsicherheiten bei der Ermittlung der mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken und Aerosolen verringern.

4. Einsatz während Feldkampagnen in Schlüsselregionen der Atmosphärenforschung. Neben Leipzig wurde LACROS bereits an den deutschen Standorten Krauthausen und Melpitz sowie in Cabauw, NL, Limassol, Zypern, und Punta Arenas, Chile, eingesetzt. Zukünftige Einsätze sind in den Schweizer Alpen und in Invercargill, Neuseeland, geplant.

Beteiligung

LACROS wird als mobile Forschungsplattform innerhalb von ACTRIS betrieben. Damit wird einerseits sichergestellt, dass das Instrumentarium und die Beobachtungswerte einer permanenten Qualitätssicherung unterliegen, die innerhalb der Community entwickelt, umgesetzt und überwacht wird. Andererseits ermöglicht die ACTRIS-Beteiligung den Nutzern den Zugang zu den Dienstleistungen von LACROS. Dieser Zugang kann physisch vor Ort, remote oder virtuell realisiert werden. Er reicht vom gemeinsamen Einsatz von Instrumenten, Kalibrierungs- oder Evaluierungsaktivitäten, der Inanspruchnahme der Expertendienste des LACROS-Teams bis hin zu maßgeschneiderten Einsätzen von LACROS an benutzerdefinierten Standorten. Von April 2021 bis März 2025 wird der transnationale Zugang über das EU-Programm ATMO-ACCESS angeboten. Weitere Informationen über die von TROPOS angebotenen TNA-Dienste finden Sie auf der ATMO-ACCESS-Webseite oder hier.

Übersicht der LACROS-Kampagnen

In den letzten Jahren wurden Feldkampagnen über den gesamten Globus verteilt durchgeführt. Mittlerweile nimmt die Zahl der Messungen und der Einsatzorte permanent zu. Eine Übersicht der bereits erfolgten, aktuellen und anstehenden Messkampagnen zeigt der nachstehende Zeitstrahl.