Remote sensing for atmospheric observation and wind energy: over-land boundary layer and off-shore atmospheric stability

Abstract

(English) Monitoring the atmospheric boundary layer (ABL) is a matter of interest for many applications, such as weather forecasting, pollutant-dispersion models and wind energy. The ABL is the most turbulent part of the troposphere, and it is directly affected by the earth's surface characteristics. Thus, monitoring the ABL is a complex task that requires continuous improvement of the remote sensing techniques.

This PhD thesis tackles remote sensing as the key technology to assess different ABL parameters in both over-land and over-sea dimensions. The over-land dimension is oriented to the study of the ABL height (ABLH), whereas the over-sea dimension is focused in assessment of surface-layer atmospheric stability from solely wind profiles in the context of wind energy.

In the over-land dimension, a synergistic ABLH estimation me\-thod via a combination of microwave-radiometer and lidar-ceilometer-based estimates is presented. The synergistic method uses these two instruments in a cooperative way with the aim of providing an enhanced high-resolution ABLH estimation. Data gathered by multiple remote-sensing instruments during the HOPE campaign at Jülich, Germany, are used to outline the robustness of the synergistic method in relation to estimates which rely on a single instrument.

In the over-sea dimension, the 2D parametric-solver algorithm is presented as an alternative method to assess surface-layer parameters from solely floating Doppler wind lidar measurements. Comparative results with reference retrievals from the IJmuiden meteorological mast show that the 2D accurately estimates the friction velocity, and it correctly determines atmospheric stability via its Obukhov length estimation. Accordingly, the 2D algorithm corroborates to stand the floating Doppler wind lidar as the wind-energy-industry preferred solution to replace the off-shore metmast.

(Català) L'observació de la capa límit de l'atmosfera és d'interès per diferents aplicacions com ara en prediccions meteorològiques, en energia eòlica i en models de dispersió de partícules contaminants. Aquesta capa és la més turbulenta de la troposfera i rep l'efecte directe de la superfície terrestre. Per tant, la seva observació és una tasca complexa i requereix una millora contínua de les eines de teledetecció.

Aquesta tesi doctoral explota la teledetecció com a tecnologia clau per estimar diferents paràmetres de la capa límit tant en zones marítimes com terrestres. En el context terrestre s'estudia la mesura de l'alçada de la capa límit i en el marítim s'adreça l'estimació de l'estabilitat atmosfèrica amb només mesures de perfils verticals de vent.

Pel que fa al context terrestre, es proposa un mètode sinergètic per estimar l'alçada de la capa límit combinant radiòmetres de microones i ceilòmetres lidar. El mètode sinergètic utilitza aquests dos instruments cooperativament per aconseguir estimacions d'alta resolució de l'alçada de la capa límit. Per validar la robustesa del mètode s'han emprat dades mesurades per instruments de teledetecció durant la campanya de mesures HOPE a Jülich, Alemanya, utilitzant radio sondejos com a referència.

Pel que fa al context marítim, es presenta l'algorisme paramètric "2D" com a mètode alternatiu per estimar diferents paràmetres de la capa superficial de l'atmosfera a partir de mesures del perfil vertical de vent de LiDARs Doppler flotants. Fent servir com a referència mesures del màstil meteorològic IJmuiden, s'ha pogut validar la capacitat del mètode 2D per poder estimar amb precisió la "friction velocity" així com per classificar l'estabilitat atmosfèrica a partir d'estimacions de la longitud d'"Obukhov". Així doncs, l'algorisme 2D reforça la posició dels LiDAR Doppler flotants com a tecnologia clau per a reemplaçar els màstils meteorològics marítims.

(Español) La observación de la capa límite de la atmósfera es de interés en diferentes aplicaciones como predicciones meteorológicas, energía eólica y modelos de dispersión de partículas contaminantes. Esta capa es la más turbulenta de la troposfera y recibe el efecto directo de la superficie terrestre. Por lo tanto, su observación es una tarea compleja y requiere una mejora continua de las herramientas de teledetección.

Esta tesis doctoral explota la teledetección como tecnología clave para estimar diferentes parámetros de la capa límite tanto en zonas marí\-timas como terrestres. En el contexto terrestre se investiga la medida de la altura de la capa límite y en el marítimo se estudia la estimación de la estabilidad atmosférica con solo medidas de perfiles verticales de viento.

En cuanto al contexto terrestre, se propone un método sinergético para estimar la altura de la capa límite combinando radiómetros de microondas y ceilómetros lidar. El método sinergético utiliza estos dos instrumentos cooperativamente para conseguir estimaciones de alta resolución de la altura de la capa límite. Para validar la robustez del método se han empleado datos medidos por instrumentos de teledetección durante la campaña de medidas HOPE en Jülich, Alemania, utilizando radiosondeos como referencia.

En cuanto al contexto marítimo, se presenta el algoritmo paramétrico "2D" como método alternativo para estimar diferentes parámetros de la capa superficial de la atmósfera a partir de medidas del perfil vertical de viento de LiDARs Doppler flotantes. Usando como referencia medidas del mástil meteorológico IJmuiden, se ha podido validar la capacidad del método 2D para poder estimar con precisión la "friction velocity" así como para clasificar la estabilidad atmosférica a partir de estimaciones de la longitud de "Obukhov". Así pues, el algoritmo 2D refuerza la posición de los LiDAR Doppler flotantes como tecnología clave para reemplazar los mástiles meteorológicos marítimos.