Original paper

Towards operational determination of boundary layer height using sodar/RASS soundings and surface heat flux data

Hennemuth, Barbara; Kirtzel, Hans-Jürgen

Meteorologische Zeitschrift Vol. 17 No. 3 (2008), p. 283 - 296

published: Jun 23, 2008

DOI: 10.1127/0941-2948/2008/0289

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ArtNo. ESP025011703007, Price: 29.00 €

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Abstract

A method for the derivation of boundary layer height from measurements of sodar, RASS and sonic anemometer-thermometer data is presented. Datasets of the years 2004 and 2005 measured at the Meteorological Observatory Lindenberg (Germany) are used. The time resolution is 15 min. Special emphasis is laid on air pollution issues where mixing heights shallower than 500 m are important. A difference to the numerous methods already presented in the literature is twofold. Firstly, not only single vertical profiles of measured or derived parameters are used but also bulk information, e.g.histograms and boundary layer evolution over time intervals, is considered. Secondly, the presented method analyses sodar data and confirms or corrects the results by use of temperature profiles from RASS and by sonic surface heat flux data. The results are presented as frequency distributions for the whole period and for the four seasons, stratified by the hour of the day. The additional analysis of temperature profiles and surface heat flux is particularly helpful for the detection of stable boundary layers and increases the number of shallow boundary layers particularly in the evening. The comparison with radiosonde-derived boundary layer heights shows a good agreement, deviations are mostly due to a complicated boundary layer structure. Boundary layer depths derived after a formalism given in the German administrative regulation TA-Luft show - compared to the sodar/RASSderived values - too many very small or partly very large values. The height range between 100 m and 300 m which is essential for pollutant dispersion issues is nearly missing. Requirements for a future operational use of the method are formulated.

Kurzfassung

Eine Methode zur Ableitung der Grenzschichthöhe aus Messungen von Sodar, RASS und Sonic Anemometer-Thermometer wird vorgestellt. Es werden Datensätze der Jahre 2004 und 2005 vom Meteorologischen Observatorium Lindenberg (Deutscher Wetterdienst) verwendet. Die zeitliche Auflösung beträgt 15 min. Besonderes Gewicht wird auf Fragen der Luftreinhaltung gelegt und daher auf Grenzschichthöhen niedriger als 500 m. Die vorgestellte Methode unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht von den zahlreichen, in der Literatur vorgestellten Methoden. Zum Einen werden nicht nur Einzelprofile gemessener oder abgeleiteter Parameter verwendet sondern auch umfassende Informationen wie z.B. Histogramme und die Grenzschichtentwicklung über Zeitabschnitte. Zum Anderen werden die aus Sodar-Daten erzielten Ergebnisse durch Analyse der Temperaturprofile des RASS und des fühlbaren Wärmestroms des Sonics bestätigt oder korrigiert. Die Ergebnisse werden als Häufigkeitsverteilungen über den gesamten Zeitraum und die vier Jahreszeiten dargestellt, aufgeschlüsselt nach den Stunden des Tages. Die zusätzliche Analyse der Temperaturprofile und des fühlbaren Wärmestroms ist besonders hilfreich bei stabilen Grenzschichten und erhöht die Anzahl niedriger Grenzschichthöhen am Abend. Der Vergleich mit Grenzschichthöhen, die aus Radiosondenaufstiegen bestimmt wurden, zeigt hohe Übereinstimmung. Abweichungen werden meist in Situationen festgestellt, in denen die Grenzschicht nicht eindeutig definiert ist. Grenzschichthöhen, die nach der deutschen Verwaltungsvorschrift TA-Luft bestimmt wurden, sind in Vergleich zu denen aus Sodar/RASS bestimmten Höhen entweder zu niedrig oder zu bestimmten Zeiten zu hoch. Der für Ausbreitungsfragen wesentliche Höhenbereich zwischen 100 m und 300 m fehlt nahezu komplett. Anforderungen für eine zukünftige operationelle Nutzung der Methode werden aufgelistet.