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LIDAR e cielometri

MeteoSvizzera utilizza il sistema di misurazione LIDAR per la misura in continuo dei profili verticali di umidità, temperatura e concentrazione di aerosol. La tecnologia LIDAR (Light Detection And Ranging) è in grado di risolvere la variabilità temporale e verticale del vapore acqueo usando il principio di interazione laser-materia applicato alle molecole e agli aerosol presenti in atmosfera. La capacità descrittiva della misura LIDAR e l’accuratezza delle variabili dedotte rappresenta un aspetto di grande rilevanza scientifica e sociale poiché il vapore acqueo è il gas a effetto serra a maggiore impatto in atmosfera.

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Un LIDAR emette nell’atmosfera un impulso laser (segnale) ad una certa lunghezza d’onda, che  interagisce con molecole e particelle lungo la sua traiettoria diffondendo la luce laser in tutte le direzioni compresa quella a 180º rispetto alla direzione incidente, e quindi verso il ricevitore LIDAR. La parte di segnale retro diffusa verso la superficie terrestre viene quindi raccolta dal ricevitore e analizzata da un computer connesso al ricevitore. Questo sistema consente di misurare l’umidità, la temperatura e le proprietà ottiche degli aerosol. Presso la stazione aerologica di Payerne MeteoSvizzera sono installati due diversi tipi di strumenti LIDAR: il cosiddetto LIDAR Raman (λ=355 nm) determina i profili di umidità, temperatura e delle proprietà ottiche degli aerosol ed un cielometro (un LIDAR a retrodiffusione elastica a λ=1064 nm) che fornisce la quota della base delle nuvole a più livelli e il profilo della struttura verticale della troposfera in funzione della presenza dell’aerosol.

LIDAR Raman: profili di vapore acqueo, temperatura e aerosol

Il LIDAR Raman di Payerne è un sistema operazionale (operativo 24 ore su 24, 7 giorni su 7) ottimizzato per la misura di profili di mixing ratio del vapore acqueo, di temperatura e delle proprietà di ottiche degli aerosol (coefficiente di backscatter). Il nome dello strumento è RALMO acronimo di Raman LIDAR for Meteorological Observation. Lo sviluppo del sistema RALMO e la sua installazione a Payerne è frutto di una collaborazione di MeteoSvizzera con il Politecnico federale di Losanna (EPFL) e il Fondo Nazionale Svizzero per la ricerca scientifica (SNF). RALMO è operativo dal 2008 con un sistema di misura completamente automatico. Nel corso degli anni, le misure LIDAR di vapore acqueo sono state confrontate con quelle effettuate dai radiosondaggi  per calibrazione e validazione.

Il sistema LIDAR fornisce dati con un’elevata risoluzione (verticale 3,75 m, temporale circa 60 s). I profili in tempo reale di vapore acqueo, temperatura e proprietà ottiche degli aerosol confluiscono nella banca dati di MeteoSvizzera. Oltre ad essere di fondamentale importanza per la conoscenza della struttura verticale dell’atmosfera e del suo contenuto d’acqua e di aerosol, le misure LIDAR rappresentano una fonte preziosa d’informazione anche per la comunità dei modellisti. Modelli previsionali e climatologici possono infatti beneficiare dei profili LIDAR in tempo reale oppure come serie temporali su lunghi periodi (anni).

Ampio campo di applicazione dei dati rilevati con il sistema LIDAR

Le misurazioni dell’umidità con il sistema RALMO confluiscono nelle banche dati delle misurazioni climatologiche e di riferimento delle reti GRUAN (GCOS Reference Upper-Air Network) e NDACC (Network for Detection of Atmospheric Composition Change). I rilevamenti delle proprietà ottiche degli aerosol sono immessi anche nella rete EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) e favoriscono la definizione di una climatologia degli aerosol su scala europea. Inoltre, le informazioni ottenute con il sistema LIDAR sono utilizzate insieme ai dati convenzionali per validare e sviluppare ulteriormente il modello di previsione numerica COSMO.

Il funzionamento del sistema di misurazione RALMO

RALMO è installato in una cabina dotata di due locali. In un locale è collocato il sistema LIDAR. L’emissione del segnale laser a 355 nm avviene attraverso una finestra posta sul soffitto della cabina e che è trasparente al passaggio del segnale a quella lunghezza d’onda. La porzione di segnale riemesso (backscattered) verso il ricevitore LIDAR attraversa a sua volta un cammino ottico attraverso finestre e fibre ottiche che seleziona le diverse parti di segnale destinate ad analisi specifiche. Una volta che il segnale è trasmesso al computer locale il profilo è salvato sull’hard disk e pronto per essere analizzato. Nell’altro locale si trovano i computer necessari per il funzionamento del sistema. In caso di pioggia e di nuvole basse le misure sono automaticamente interrotte per prevenire la saturazione del sistema di detezione del segnale.

I risultati delle misurazioni RALMO

Nella figura sottostante i dati ottenuti sono rappresentati sotto forma di serie temporale dei profili verticali di vapore acqueo per  mettere in evidenza la grande variabilità temporale e spaziale del vapore acqueo nell’atmosfera sopra Payerne. Di notte le misure di mixing ratio possono essere effettuate fino a un’altitudine di 10-12 km, mentre di giorno il campo di misura si limita normalmente a 4 km a causa del forte irraggiamento solare che perturba la misura saturando il sistema di detezione.

Il cielometro CHM15K con sistema LIDAR

Per la misura dei vari strati di aerosol presenti in Troposfera MeteoSvizzera impiega, oltre a RALMO, anche i cielometri (e.g. CHM15K). Anche il cielometro utilizza una fonte laser, ma a lunghezze d’onda normalmente più lunghe (e.g. λ=1064 nm) rispetto al LIDAR Raman e con un segnale misurato che non varia in frequenza (backscattering elastico). Il cielometro permette di misurare i profili di backscatter nella porzione di troposfera che si estende  tra 0,03 e 15 km con una risoluzione verticale di 15 m. Fino ad una distanza di 15 km l’apparecchio può fornire con un ottima precisione  l’altezza della base delle nuvole sia nella parte bassa che in quella più alta della troposfera. Oltre alla base delle nuvole il cielometro rileva anche le informazioni sulle proprietà ottiche (e.g. backscatter) degli aerosol, sull’altezza dello strato limite planetario e sulla visibilità. I dati di backscatter da cielometro CHM15K rappresentano una fonte  d’informazione in tempo reale sulle proprietà geometriche e ottiche dei diversi strati di aerosol. I cielometri sono parte integrante della rete europea E-PROFILE di EUMETENT.

Il grafico sottostante mostra la complessa stratificazione della parte inferiore della troposfera il 30 marzo 2014. Durante il periodo di misura due diverse masse d’aria sono state trasportate sopra la Svizzera. Una massa d’aria di origine nord-sahariana ricca di polvere desertica si estende tra i 4 e i 6 km. La polvere Sahariana è ben visibile in colori giallo-rosso con limite inferiore che si abbassa nel corso della giornata fino a raggiungere i 3 km la sera dopo le 20h00. La seconda massa d’aria è di origine meridionale e proveniente dalla Valle Padana nel Nord dell’Italia. Quest’ultima è carica di polveri sottili emesse nella zona fortemente inquinata del Nord d’Italia questo strato di aerosol è visibile a un’altitudine tra 1,5 e 3 km.

  • Raman Lidar for Meteorological Observations, RALMO – Part 1: Instrument description
    T. Dinoev, V. Simeonov, Y. Arshinov, S. Bobrovnikov, P. Ristori, B. Calpini, M. Parlange, and H. van den Bergh Atmos. Meas. Tech., 6, 1329-1346, 2013
  • Raman Lidar for Meteorological Observations, RALMO – Part 2: Validation of water vapor measurements E. Brocard, R. Philipona, A. Haefele, G. Romanens, A. Mueller, D. Ruffieux, V. Simeonov, and B. Calpini Atmos. Meas. Tech., 6, 1347-1358, 2013
  • M. Wiegner and A. Geiß (2012): Aerosol profiling with the JenOptik ceilometer CHM15kx, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 5, 3395–3430, doi:10.5194/amtd-5-3395-2012
  • Raman Frequency Shifting in CH4 :H2 :Ar mixture pumped by the 4th Harmonic of Nd :YAG (V. Simeonov, V. Mitev, H. van den Bergh, and B. Calpini) Appl. Opt., Vol 37, No 30, pp 7112-7115, 1998.
  • A Raman Differential Absorption Lidar for Ozone and Water Vapor Measurement in the Lower Troposphere (B. Lazzarotto, V. Simeonov, P. Quaglia G. Larchevêque, H. van den Bergh, and B. Calpini) Int. J. Env. Analytical Chem., 74, pp255-261, 1999
  • Experimental investigation of high-power single-pass Raman shifters in the ultraviolet with Nd :YAG and KrF lasers (L. Schoulepnikoff, V. Mitev, V. Simeonov, B. Calpini, and H. van den Bergh) Appl. Opt., Vol 36, No 21 pp 5026-5043, 1997.
  • Aerosol profiling using the ceilometer 10 network of the German meteorological service. ( H. Flentje, B. Heese, J. Reichardt, and W. Thomas), Atmospheric Measurement Techniques, vol. 3, pp. 3643–3673, 2010.
  • An Assessment of Pseudo-Operational Ground-Based Light Detection and Ranging Sensors to Determine the Boundary-Layer Structure in the Coastal Atmosphere. (Milroy, C., G. Martucci, S. Lolli, S. Loaec, L. Sauvage, I. Xueref -Remy, Jost V. Lavric, P. Ciais, Colin D. O’Dowd) Advances in Meteorology, 2012, ID 929080, 18 pages. doi:10.1155/2012/929080

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