Das kohärente 2-µm-Doppler-Windlidar auf der Falcon F20 ist mittlerweile seit fast zwei Dekaden im Einsatz und hat wichtige Beiträge zu zahlreichen nationalen und internationalen Kampagnen geliefert. Die wissenschaftlichen Fragestellungen waren mannigfaltig. Bei „Deepwave“ und „GW-LCYCLE“ zum Beispiel stand die Charakterisierung von atmosphärischen Schwerewellen sowie deren Lebenszyklus im Vordergrund. Bei der Kampagne „Saltrace“ wurden Fragen zum Transport von Saharastaub über den Atlantischen Ozean sowie Veränderungen von dessen optischen Eigenschaften während des Transports bearbeitet. Windmessungen generell hatten das Ziel das Potential von mit Lidar gewonnenen Windprofilen bei der Verbesserung der Wettervorhersage zu demonstrieren. In den letzten Jahren schließlich lag der Schwerpunkt auf der Validierung des ersten Wind Lidars im All, dem Aeolus Satelliten. Mittlerweile hat sich das 2-µm-Lidar auch international als Standard bei der Erfassung von Wind und Turbulenz sowie von Wirbelschleppen etabliert.
Messprinzip: Ein kohärentes Doppler-Lidar sendet kurze Laserpulse aus und erfasst die von Aerosolen zurückgestreute Strahlung durch optischen Überlagerungsempfang. Damit kann sowohl die Intensität der rückgestreuten Strahlung als auch deren Dopplerverschiebung in Strahlachse erfasst werden. Aus den verschiedenen Beobachtungsrichtungen eines konischen Scans lässt sich der dreidimensionale Windvektor berechnen. Dafür stehen verschiedene Algorithmen zur Verfügung die ständig weiterentwickelt und der jeweiligen wissenschaftlichen Fragestellung angepasst werden (siehe Abbildung). Der große Vorteil dieses Messprinzips liegt darin, dass die Dopplerverschiebung des schmalbandigen Rückstreusignals mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann. Grundvoraussetzung ist dabei, dass genügend Aerosolpartikel in Form von Wassertröpfchen oder Staubpartikeln vorliegen.
Atmosphärische Schwerewellen werden zum Beispiel durch Überströmung von Gebirgszügen angeregt und können sich bis in die Mesosphäre in Höhen von über 100 km ausbreiten. Um die Vertikalgeschwindigkeit hochaufgelöst zu erfassen, ist es nötig, den Laserstrahl genau senkrecht nach unten zu richten. Änderungen der Flugzeuglage (Roll und Pitch) werden bei diesen Messungen durch den Scanner des Lidar automatisch kompensiert.
Im Laufe der Jahre wurde das 2-µm-Doppler-Lidar sowie die verwendeten Auswertealgorithmen kontinuierlich weiterentwickelt. Das lässt sich eindrucksvoll anhand der Abbildung zeigen. Während bei konventioneller Auswertung, basierend auf einzelnen Messungen in Strahlrichtung, nur ein Teil der Atmosphäre erfasst wird, kann bei Akkumulation über 5 Scans beinahe eine vollständige Abdeckung erreicht werden. Insbesondere bei den Validierungsaktivitäten von Aeolus konnten mit der Akkumulation von fünf Scans 56% mehr Vergleichspunkte mit dem Aeolus-Datensatz realisiert werden, verglichen mit der Akkumulation über einen Scan.
Beispiel von atmosphärischen Schwerewellen. Die Anströmung erfolgt hier von Westen (links). Sehr schön ist das „Brechen“ der langwelligen Wellen an der Tropopause in 8 - 8,5 km Höhe zu erkennen (Grafik: ©DLR).
Beispiel der Verbesserung der Abdeckung durch den Einsatz der Akkumulationstechnik. Der Plot zeigt einen Flug südlich von Island, September 2019 Wind, berechnet aus einzelnen LOS Werten (oben). Einsatz der Akkumulationstechnik über 100 m Höhe und einen konischen Scan (Mitte) Akkumulationstechnik über 5 Scans und 500 m Höhe (unten); (Grafik: ©DLR).
Auszug der Kampagnen mit Beteiligung des 2-µm-Doppler-Lidars