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Airborne turbulence measurements in the lower troposphere onboard the research aircraft Dornier 128-6, D-IBUF

Corsmeier, Ulrich; Hankers, Rudolf; Wieser, Andreas

Meteorologische Zeitschrift Vol. 10 No. 4 (2001), p. 315 - 329

published: Oct 15, 2001

DOI: 10.1127/0941-2948/2001/0010-0315

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ArtNo. ESP025011004014, Price: 29.00 €

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Abstract

The research aircraft Dornier (DO) 128-6, call-sign D-IBUF, operated by the Institute of Flight Guidance and Control of the Technical University of Braunschweig and its scientific equipment is presented. The aircraft's operational capabilities and the quality of measurements of meteorological parameters and trace constituents in the lower troposphere are discussed. Besides avionic instrumentation for VFR-flights (Visual Flight Rules) and IFR-flights (Instrument Flight Rules) at low altitudes over complex terrain, there are redundant sensors for the measurement of wind, temperature and humidity. Together with INS- (Inertial Navigation System) and GPS- (Global Positioning System) navigation a sample frequency of 25 Hz (soon 100 Hz) is realised. Using a mean ground speed of 65 m s-1, the resolution of the measurements is less than 3 m. Since 1998, the Institute of Meteorology and Climate Research at the Forschungszentrum Karlsruhe has enlarged the aircraft's research capabilities by the integration of a sensor package for the measurement of CO, NO, NO2, CO2 and O3 with frequencies between 1 Hz and 20 Hz, and detection limits of 1 ppb. The equipment does not only allow to detect mean quantities, but also, using the eddy-correlation technique, to calculate small-scale turbulent trace gas fluxes, e.g. caused by secondary circulation systems, mountain venting, convective cells and other mass transport processes between the boundary layer and the free troposphere (''handover''). Such data are of great importance to many aspects of air pollution dispersion and air pollution modelling. Process studies of the small-scale vertical transport of heat, moisture and trace gases and their parametrisation are some of these aspects. The function of the sensor package is shown by calibration results, intercomparison of the measurements of redundant sensors and spectral analysis of the wind components. Examples of the detection of secondary circulation systems, of the micro structure of trace gases in urban plumes and the calculation of ozone flux profiles are given. Das Forschungsflugzeug Dornier (DO) 128-6, Rufzeichen D-IBUF, des Instituts für Flugführung der Universität Braunschweig und seine wissenschaftliche Ausrüstung werden vorgestellt. Die Flugeigenschaften und die Qualität der Messungen meteorologischer Parameter sowie von Spurenstoffen werden diskutiert. Neben der Instrumentierung für Sicht- und Instrumentenflüge in geringer Höhe über komplexen Untergrund gibt es redundante Sensoren zur Messung von Wind, Temperatur und Feuchte. Mittels INS- (Intertial Navigation System) und GPS- (Global Positioning System) Navigation ist eine Messfrequenz von 25 Hz (in naher Zukunft 100 Hz) möglich. Bei einer mittleren Geschwindigkeit über Grund von 65 m s-1 liegt die Messauflösung bei weniger als 3 m. Seit 1998 hat das Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Forschungszentrums Karlsruhe die Messausrüstung des Flugzeugs durch eine Sensoreinheit zur Messung von CO, NO, NO2, CO2 und O3 erweitert, die mit Messfrequenzen von 1 Hz bis 20 Hz und einer Empfindlichkeit bis 1 ppb arbeitet. Diese Ausrüstung ermöglicht es, nicht nur mittlere Größen zu messen, sondern auch mittels der Eddy-Korrelationstechnik kleinräumige turbulente Spurengasflüsse zu berechnen. Diese werden z. B. durch sekundäre Zirkulationssysteme, von Durchmischungsprozessen und Konvektionszellen und durch die Wechselwirkung zwischen der planetarischen Grenzschicht und der freien Troposphäre verursacht (Handover). Messungen von Spurenstoffflüssen sind für die Ausbreitung von Luftschadstoffen und die Modellierung der Schadstoffausbreitung von großer Bedeutung. Prozessstudien kleinräumiger Vertikaltransporte von Wärme, Feuchte und von Spurengasen werden vorgestellt. Die Arbeitsweise der Sensoreinheit wird an Hand von Kalibrierungsergebnissen, durch Vergleich von Messwerten der redundanten Sensoren und mittels Spektralanalyse der Windkomponenten gezeigt. Beispiele für Sekundärzirkulationssysteme, für die Mirkostruktur der Spurengasausbreitung in städtischen Abluftfahnen und die Berechung von Ozonflussprofilen werden erläutert.