Les chercheurs ont mis au point un ensemble d'instruments lidar à diodes qui pourraient aider à combler d'importantes lacunes dans les observations météorologiques et alimenter un saut dans la compréhension, modélisation et prévision du temps et du climat. Les instruments sont particulièrement bien adaptés pour un aperçu de la dynamique atmosphérique à l'échelle méso, une plage de taille équivalente à la superficie d'une petite ville jusqu'à celle d'un État américain.
Des collaborateurs de la Montana State University (MSU) à Bozeman et du National Center for Atmospheric Research (NCAR) à Boulder, Colo. discutera du travail lors du congrès sur les capteurs optiques et la détection de la société optique, qui aura lieu du 25 au 27 juin à San José, Californie, pendant Sensors Expo 2019.
Jusque là, l'équipe a créé cinq instruments lidar à absorption différentielle à micro-impulsions (DIAL) à base de diodes—instruments MPD, en abrégé — pour le profilage de la vapeur d'eau dans la basse troposphère, la région de l'atmosphère où la plupart des conditions météorologiques se produisent. Les instruments à base de laser à diode fonctionnent dans la gamme de longueurs d'onde de 650 à 1, 000 nanomètres, principalement dans le spectre infrarouge. Les instruments peuvent être déployés de jour comme de nuit, en grande partie sans surveillance, sans risquer de causer des dommages oculaires aux humains.
"Le réseau de cinq instruments MPD à vapeur d'eau a été déployé à l'observatoire atmosphérique de mesure du rayonnement atmosphérique des Grandes Plaines du Sud à la mi-avril, " Catharine Bunn, membre de l'équipe, a déclaré. " Cette expérience sur le terrain de trois mois nous permettra de mieux comprendre comment les prévisions météorologiques peuvent être affectées par les mesures MPD continues de la vapeur d'eau atmosphérique.
Combler les lacunes du suivi
Plusieurs rapports des Académies nationales des sciences, Ingénierie et médecine et d'autres groupes d'experts au cours de la dernière décennie ont identifié un besoin critique de profils de mesure verticaux de l'humidité, aérosols, et la température dans la basse troposphère. Les experts appellent également à la création d'un « réseau de réseaux » pour collecter et partager ces données. Fournir la couverture nécessaire pour améliorer les prévisions météorologiques et climatiques à travers les États-Unis, un rapport a proposé de déployer un réseau de capteurs au sol sur environ 400 sites à l'échelle nationale espacés d'environ 125 kilomètres.
Cependant, il y a eu une lacune dans l'instrumentation pour répondre à cette vision de la recherche et de la surveillance sans compter sur des appareils embarqués, qui sont coûteux à déployer. En s'appuyant sur les travaux antérieurs d'autres équipes et en collaborant avec les scientifiques du NCAR, Les développeurs d'instruments MSU se sont tournés vers la technologie MPD à base de diodes comme voie économique vers un profileur capable d'effectuer des mesures précises et de répondre aux spécifications souhaitées pour une utilisation continue, fonctionnement sans surveillance et sécurité des yeux.
Démontrer de la valeur sur le terrain
Les chercheurs ont développé cinq instruments différents basés sur une architecture commune dans laquelle des impulsions laser sont envoyées dans l'atmosphère et le signal de retour, qui varie au fur et à mesure que la lumière interagit avec la vapeur d'eau, est mesurée avec des modules de comptage de photons uniques. Les cinq instruments sont opérationnels et deux ont été déployés dans des expériences de recherche météorologique et climatique au sol.
Un instrument, développé en collaboration par les scientifiques de MSU et NCAR, a été mis en place dans le cadre de l'Expérience de photochimie et de pollution atmosphérique frontale (FRAPPE). L'instrument a mesuré le profil vertical de la vapeur d'eau avec moins de 10 pour cent d'erreur moyenne sur une gamme de conditions atmosphériques, par rapport aux profils recueillis par les appareils aéroportés. Il a également fonctionné sans surveillance pendant 50 jours continus pendant FRAPPE sans baisse apparente des performances, fournissant une couverture de données d'environ 95 pour cent.
Les chercheurs ont également avancé vers le profilage vertical de deux autres caractéristiques très intéressantes de la basse troposphère :les aérosols et la température. Sur la base de l'architecture MPD, les chercheurs du NCAR ont construit un nouveau lidar à haute résolution spectrale (HSRL) capable de profiler les aérosols. En complément de ce travail, un physicien de la MSU a adapté des techniques mathématiques de la mécanique quantique pour résoudre une équation qui ouvre la porte à l'utilisation de mesures des propriétés des molécules d'oxygène et d'autres données atmosphériques pour créer un profil de température vertical. Les modèles et les expériences préliminaires suggèrent qu'en plus de mesurer la vapeur d'eau et d'autres particules en suspension dans l'air, le HSRL peut fournir les mesures nécessaires pour les grains fins, profilage de température à haute fréquence.
Lors du Congrès de juin, les chercheurs prévoient de fournir les dernières informations sur leurs travaux de profilage de température et d'autres mises à jour sur leur instrumentation. Pour l'instant, Bunn a dit, "Nous commençons à récupérer les profils de température de la basse troposphère avec une précision de +/- 2 Kelvin et nous travaillons à améliorer les performances de l'instrument et de l'algorithme de récupération."
