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Multiple atmospheric layering and mixing-layer height in the Inn valley observed by remote sensing

Emeis, Stefan; Jahn, Carsten; Münkel, Christoph; Münsterer, Caroline; Schäfer, Klaus

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 4 (2007), p. 415 - 424

published: Aug 30, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0203

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ArtNo. ESP025011604011, Price: 29.00 €

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Abstract

Automatic mixing layer height monitoring was performed by continuous sodar and ceilometer measurements in the Inn valley east of Innsbruck, Austria during a winter measuring campaign on air and noise pollution. The ceilometer, an eye-safe commercial lidar originally designed to detect cloud base heights and vertical visibility for aviation safety purposes, was operated for about two months; the sodar was operated for more than four months. Special software for this ceilometer provides routine retrievals of multiple aerosol layers and mixing layer height from the optical backscatter data. An existing retrieval method for the mixing layer height from sodar data has also been enhanced in order to detect multiple atmospheric layering. Particular emphasis is given to the detection of thermally stable layers and inversions within the lower valley atmosphere and their temporal development. Such layers influence significantly the diurnal variations of air pollution and traffic noise impact. A comparison is performed with parallel mixing layer height retrievals from the sodar and the ceilometer. In clear and cold winter nights sometimes several layers one above the other can be detected with both instruments. These multiple layers form due to an interaction between the mountain wind and the down-slope winds. In the absence of low clouds and precipitation ceilometers can estimate the mixing-layer-height fairly well. Ceilometer and sodar partly complement each other.

Kurzfassung

Eine automatische Überwachung der Mischungsschichthöhe im Inntal östlich Innsbrucks ist mit kontinuierlichen Messungen mit einem Sodar und einem Ceilometer durchgeführt worden. Die Messungen gehörten zu einer Wintermesskampagne, die die Bedingungen für Lärm- und Schadstoffausbreitungen erfassen sollte. Das Ceilometer, ein augensicheres Gerät, welches ursprünglich zur Bestimmung der Höhe der Wolkenuntergrenze und der vertikalen Sichtweite entwickelt worden war, wurde für zwei Monate betrieben, das Sodar wurde für mehr als vier Monate betrieben. Eine spezielle Software ermöglicht die Analyse mehrfach übereinander liegender Aerosolschichten und der Mischungsschichthöhe aus den optischen Rückstreuintensitäten. Eine existierende Analysemethode für die Mischungsschichthöhe für das Sodar ist ebenfalls erweitert worden, um mehrfache Schichtbildung zu erfassen. Besonderes Gewicht wird hier auf die Erkennung thermisch stabiler Schichten und Inversionen in der unteren Talatmosphäre und deren zeitliche Entwicklung gelegt. Solche Grenzschichtstrukturen haben einen deutlichen Einfluss auf die täglichen Variationen der Luft- und Lärmbelastung. Die Algorithmen für die beiden Fernmessverfahren werden für einen Zeitraum, für den parallele Messungen vorliegen, verglichen. Dabei zeigt sich, dass es in klaren und kalten Winternächten häufiger zur Ausbildung von mehreren, übereinander liegenden Schichten kommt, die von beiden Geräten erfasst werden. Diese Mehrfachschichtung ist auf ein Wechselspiel zwischen dem Bergwind und den Hangabwinden zurückzuführen. Solange keine Wolken oder etwaiger Niederschlag stören, kann das Ceilometer die Mischungsschichthöhe gut erfassen. Ceilometer und Sodar stellen teilweise eine gute Ergänzung zueinander dar.