Original paper

Near surface spatially averaged air temperature and wind speed determined by acoustic travel time tomography

Raabe, Armin; Arnold, Klaus; Ziemann, Astrid

Meteorologische Zeitschrift Vol. 10 No. 1 (2001), p. 61 - 70

published: Mar 15, 2001

DOI: 10.1127/0941-2948/2001/0010-0061

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Abstract

Acoustic travel time tomography is presented as a possibility for remote monitoring of near surface airtemperature and wind fields. This technique provides line-averaged effective sound speeds changing with temporally and spatially variable air temperature and wind vector. The effective sound speed is derived from the travel times of sound signals which propagate at defined paths between different acoustic sources and receivers. Starting with the travel time data a tomographic algorithm (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique, SIRT) is used to calculate area-averaged air temperature and wind speed. The accuracy of the experimental method and the tomographic inversion algorithm is exemplarily demonstrated for one day without remarkable differences in the horizontal temperature field, determined by independent in situ measurements at different points within the measuring field. The differences between the conventionally determined air temperature (point measurement) and the air temperature determined by tomography (area-averaged measurement representative for the area of the measuring field 200m x 260m) were below 0.5 K for an average of 10 minutes. The differences obtained between the wind speed measured at a meteorological mast and calculated from acoustic measurements are not higher than 0.5 ms-1 for the same averaging time. The tomographically determined area-averaged distribution of air temperature (resolution 50 m x 50 m) can be used to estimate the horizontal gradient of air temperature as a pre-condition to detect horizontal turbulent fluxes of sensible heat.

Kurzfassung

Das Verfahren der akustischen Laufzeittomographie wird als eine Möglichkeit zur Bestimmung oberflächennaher Lufttemperatur- und Windgeschwindigkeitsfelder vorgestellt. Das tomographische Verfahren stellt liniengemittelte Werte der effektiven Schallgeschwindigkeit bereit, in denen zeitliche und räumliche Veränderungen der Lufttemperatur und des Windvektors enthalten sind. Die effektiven Schallgeschwindigkeiten werden über die Laufzeiten von Schallsignalen auf bekannten Wegen zwischen verschiedenen Sendern und Empfängern bestimmt. Ausgehend von den Laufzeiten wird mit Hilfe einer tomographischen Inversionstechnik (Simultane Iterative Rekonstruktionstechnik, SIRT) eine flächenhafte Verteilung der effektiven Schallgeschwindigkeiten berechnet, woraus Verteilungen der Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit abgeleitet werden können. Die Genauigkeit der Messmethode und die Anwendung der tomographischen Inversion werden exemplarisch an einem Datensatz für einen Messtag demonstriert, an dem keine größeren horizontalen Temperaturdifferenzen auftraten. Die Unterschiede zwischen den konventionellen Lufttemperaturmessungen (Punktmessungen) und den mit der tomographischen Methode bestimmten flächengemittelten Werten liegen unter 0,5 K für einen Mittelungszeitraum von 10 Minuten. Die Unterschiede zwischen Windmessungen an einem meteorologischen Mast und den aus akustischen Messungen berechneten Werten übersteigen nicht 0,5 ms-1. Die mit dem tomographischen Verfahren berechnete flächenhafte Verteilung der Lufttemperatur (Auflösung 50 m x 50 m) wird dazu verwendet, horizontale Luftcould temperaturgradienten als eine Voraussetzung für die Abschätzung turbulenter horizontaler Wärmeflüsse zu bestimmen.