Atmospheric boundary layer dynamics and aerosol properties based on observations of unmanned research aircraft
The outline of the thesis considers a characterization of dynamic processes and
aerosol particles that were studied with unmanned aerial systems (UAS) in the
atmospheric boundary layer (ABL) at two investigation areas; in the polar region
and at a continental site in Middle Europe. The use of UAS provides a detailed
4-D picture of ABL properties, thus offers a high potential for filling the sparse
small-scale observations that exist in the ABLdue to missing measurement tools.
The Carolo T200 ”M2AV” (Mini Meteorological Aerial Vehicle) was applied for
ABL profiling and investigations of turbulence parameters as part of a Polarstern cruise in the Antarctic Weddell-Sea during polar night between 8 June and 12 August 2013. Eleven research flights were carried out with the M2AV but the field activity was strongly affected by a multitude of critical challenges like icing, strong wind speed and externally driven limitations, mainly influenced by the need of a suitable airfield on sea ice. The results address a detailed investigation of the ABL’s stability, measured above closed sea ice and above open water sections at two different sites on 11 July and 1–2 August 2013. The observations are strongly questioning the common picture of a stably stratified ABL, as generally assumed in models that are applied for polar areas. Since October 2013, the UAS Carolo P360 ”ALADINA” (Application of Light-weight Aircraft for Detecting IN-situ Aerosol) was operated for more than 100 research flights at the Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS) site in Melpitz, Germany. The main focus of the study is on investigating the correlation between ABL’s properties and the new particle formation (NPF). This was primarily realized by targeting vertical profiles of ultrafine aerosol particles (UFP, usual size <50 nm) in the lowermost 1 km. According to different selected case studies, a high variability of the observed UFP was identified in the vertical scale and the major impact on the distribution was linked to dynamics of the ABL. In addition, frequently performed profiles of the measured UFP enabled to determine transport and mixing processes. For instance, UFP were lifted upwards from the ground or transported downwards mainly originated from the inversion layer or mixed in short time in the whole ABL. Further, to a significant degree of the ALADINA’s measurement period, NPF events would not have been captured by pure ground-based observations
In dieser Dissertation werden mit Hilfe von unbemannten Forschungsflugzeugen dynamische Prozesse und Aerosolpartikel innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht (AGS) an zwei unterschiedlichen Messstandorten (Polargebiet und kontinentaler Raum in Mitteleuropa) untersucht. Der Einsatz von unbemannten Flugsystemen liefert einen erheblichen Beitrag zu aktuell bestehenden Datenlücken,
die auf Grund fehlender Messmethoden im kleinskaligen Raum innerhalb
der AGS existieren. Das unbemannte Forschungsflugzeug vom Typ Carolo
T200 ”M2AV” (Mini Meteorological Aerial Vehicle) wurde auf einer Polarstern-
Forschungsfahrt im antarktischen Weddellmeer, unter dem Einfluss der Polarnacht, eingesetzt. Im zwölfwöchigen Zeitraum vom 8. Juni bis 12. August 2013 wurden elf Messflüge durchgeführt, wobei der Feldeinsatz durch die Gegebenheiten vor Ort stark eingeschränkt wurde, wie zum Beispiel häufiges Auftreten von starken Winden, Vereisung und äußeren Einschränkungen, welche unter anderem der Bedingung einer geeigneten Startbahn auf dem Meereis unterlagen. Die Untersuchung von Vertikalprofilen und horizontal durchgeführten Flügen bezieht sich im Speziellen auf den Messzeitraum vom 11. Juli 2013 über geschlossenem Meereis und zwischen dem 1. und 2. August 2013 über unterbrochener Meereisoberfläche. Die gewonnenen Daten sind in ihrer Form einzigartig und stellen das typische Bild einer stabil geschichteten AGS in Frage, wie es allerdings für globale Modelle im Bereich der Polargebiete implementiert wird. Seit Oktober 2013 wird das unbemannte Flugsystem Carolo P360 ”ALADINA” (Application of Light-weight Aircraft for Detecting IN-situ Aerosol) eingesetzt mit dem vorrangingen Ziel die Partikelneubildung zu untersuchen. Der Kern dieser Arbeit befasst sich mit der Wechselwirkung zwischen der kontinental ausgeprägten AGS und der Verteilung von ultrafeinen Partikeln (UFP, Größenbereich definitionsgemäß <50 nm) auf Basis von über 100 Messflügen, welche an der Forschungsstation des TROPOS (Leibniz Institut für Troposphärenforschung) in Melpitz durchgeführt wurden. Anhand diverser Fallstudien wird eine vielfältige Verteilung von UFP innerhalb von 1km Höhe aufgezeigt, welche größtenteils von dynamischen Prozessen in derAGSabhängt. Zudem ermöglicht eine häufige Sondierung mit ALADINA die Betrachtung von Transport- und Mischungsprozessen der gemessenen UFP. So wurden beispielsweise UFP vom Boden aus in die AGS transportiert oder aus der Inversionsschicht in Richtung Boden heruntergemischt. Des Weiteren hätte ein Großteil der durchgeführten ALADINA-Messtage, allein unter Einbezug von Bodenmessdaten, nicht als sogenanntes Partikelneubildungsevent klassifiziert werden können.
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