 |
Application of the atmospheric water vapour and total water measuring instrument developed by the University of Szeged in airborne measurement campaigns on mid-latitude cirrus clouds and its further development
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
109679 |
| Type |
NN |
| Principal investigator |
Bozóki, Zoltán |
| Title in Hungarian |
A Szegedi Tudományegyetemen kifejlesztett, az atmoszféra vízgőz- és teljes víztartalmát mérő műszer alkalmazása közepes szintű cirrus felhők vizsgálatára repülőgépes mérési kampányokban és a műszer továbbfejlesztése |
| Title in English |
Application of the atmospheric water vapour and total water measuring instrument developed by the University of Szeged in airborne measurement campaigns on mid-latitude cirrus clouds and its further development |
| Keywords in Hungarian |
Repülőgépes mérési kampány, fotoakusztikus vízgőzmérő |
| Keywords in English |
Airborne measurement campaign, photoacoustic water vapour measuring instrument |
| Discipline |
| Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Meteorology | | Physics (Council of Physical Sciences) | 20 % | | Ortelius classification: Environmental physics |
|
| Panel |
Earth sciences 2 |
| Department or equivalent |
Department of Optics and Quantum Electronics (University of Szeged) |
| Participants |
Ajtai, Tibor
Filep, Ágnes
Geresdi, István
Gingl, Zoltán
Guba, Tibor
Halász, Ágnes
Heszlerné Kopniczky, Judit
Hopenthaler, Dóra
Kiss, Diána
Lázár, Dóra
Mingesz, Róbert
Orvos, Péter István
Pintér, Máté
Sarkadi, Noémi
Simon, Károly András
Szinger, Zsolt
Tátrai, Dávid
Utry, Noémi
Weidinger, Tamás
|
| Starting date |
2013-09-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
39.288 |
| FTE (full time equivalent) |
11.72 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat célja az általunk kifejlesztett, repülőgépre telepíthető, automatikus működtethető, az atmoszféra vízgőz- és teljes víz-koncentrációját fotoakusztikus elven mérő műszeren alapuló részvétel az AIRTOSS repülőgépes mérési kampányban, kiértékelésében, értelmezésében a Jülichi Kutatóközponttal (FZJ) együttműködve. Az AIRTOSS a cirrus felhők tanulmányozást tűzte ki célul és a sikerességéhez alapvető fontosságú a vízgőz és teljes vízkoncentráció megbízható mérése, amire az FZJ munkatársai szerint is műszerünk a legalkalmasabb. Célunk, hogy felhasználva a kampány során megszerzett mérési tapasztalatokat és támaszkodva az FZJ világszerte elismert vízgőz-kalibrációs eszközparkjára, illetve az ott rendelkezésre álló egyéb, nem fotoakusztikus vízgőzmérő műszerekre, tovább növeljük a műszerünk abszolút pontosságát a teljes mérési tartományon (célunk: 0,05 ppm vagy a mért érték 1% közül a nagyobb érték). E pontosság növelést a rendszer kalibrációja során fellépő bizonytalanságok csökkentésével, a rendszer érzékenységének és a rendszerben lévő véletlen jelekből nyerhető információk szisztematikus vizsgálatával, új zajelnyomási módszerek kidolgozásával, egy precízebb jelkondicionáló és adatgyűjtő elektronika és egy újfajta modulációs eljárás segítségével tervezzük elérni. Célunk az AIRTOSS kampány eredményeire, az eredmények számítógépes modellezésekkel és rádiószondás mérések eredményeivel történő összehasonlítására, illetve a párhuzamosan futó további repülőgépes mérési kampányokra (pl. CARBIC, EUFAR) alapozva igazolni, hogy a megnövelt abszolút pontosság eredményeként a mérések eredményeire alapozott tudományos következtetések megbízhatósága jelentős mértékben javítható.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás egyik alapkérdése, hogy milyen pontosságú méréseket lehet végezni a Szegedi Tudományegyetemen általunk kifejlesztett, világviszonylatban is újdonságnak számító, repülőgépre telepíthető vízgőz- és teljes víz-koncentrációt fotoakusztikus elven mérő műszerrel, továbbá, hogy milyen mértékben lehet ezt a pontosságot a tervezett kutatás eredményeként tovább növelni a repülőgépes vízgőz- és teljes víz-koncentráció mérések során fellépő széles mérendő koncentráció- (4-40 000 ppm) és nyomástartományban (180-1000 mbar). E célból ki szeretnénk dolgozni azt a kalibrációs eljárást, amelynek segítségével a fotoakusztikus műszerünk a legpontosabb, legmegbízhatóbb módon kalibrálható, bizonyítani szeretnénk, hogy egy újfajta általunk javasolt modulációs eljárás segítségével tovább növelhető a műszerrel végzett mérések pontossága illetve további vizsgálatokat tervezünk végezni a pontosság növelése céljából.
A másik alapkérdés az, hogy a projekt során elért pontosság növekedés eredményeként milyen mértékben nő meg a műszerünkkel végzett mérésekből levont tudományos következtetések megbízhatósága. Ezt a kérdést az AIRTOSS és egyéb repülőgépes kampányok, rádiószondás mérések továbbá számítógépes modellezések eredményei alapján tervezzük megválaszolni.
Szisztematikusan és meggyőző módon szeretnénk igazolni azt a nemzetközi tudományos körökben lassan általánosan elfogadottá váló véleményt, hogy a fotoakusztikus műszerünk egyedülálló előnyökkel rendelkezik a hasonló célú, nem fotoakusztikus elvű repülőgépes vízgőzmérő műszerekkel szemben. Ezen előnyök a nagy mérési pontosság, a kb 2 másodperces válaszidő, illetve az előforduló koncentrációkat teljes mértékben lefedő mérési tartomány.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Egyrészt az általunk kifejlesztett, világviszonylatban is újdonságnak számító, repülőgépre telepíthető vízgőz- és teljes víz-koncentrációt fotoakusztikus elven mérő műszer, amely részben már jelenleg is alkalmas e paraméterek repülőgépekről történő több éven keresztüli folyamatos, automatikus, nagypontosságú mérésére. A tervezett kutatómunka elvégzése után akár alapműszerévé is válhat az ilyen irányú kutatásoknak, alapvető új információkat szolgáltatva a meteorológia és a klímakutatás számára is. A kutatás sikeres elvégzése után a műszer egyedülálló módon alkalmas lesz a repülőgépes mérések során előforduló teljes koncentráció (4-40 000 ppm) és nyomástartományban (180-1000 mbar) nagypontosságú mérések végzésére (a célul kitűzött pontosság: 0,05 ppm vagy a mért érték 1% közül a nagyobb érték). A műszer jelenleg is több mérési kampányban vesz részt, és így pontosságának, megbízhatóságának növelése alapvető fontosságú. Ilyen műszert alkalmaznak a CARIBIC és az EUFAR projektben, valamint rövidesen az Environment Canada (Meteorological Research Division) kutató-repülőgépén is. A tervezett kutatás sikeres végrehajtása után várható a műszer telepítése az IAGOS projektben is, amit az FZJ szakmai vezetésével az EU hozott létre az European Research Infrastructure Consortium (ERIC) keretein belül. Célja egy olyan légkör-monitorozó hálózat létrehozása, melyet kb. 20 menetrendszerinti repülőgép fedélzetére telepített mérőműszerek alkotnak.
Másrészt a műszer kifejlesztése új lehetőséget teremt a hazai légkörfizikai és levegő kémiai kutatások területén. A felhő-aeroszol kölcsönhatás jelentős hatással van az időjárást és az éghajlatot befolyásoló csapadékképzőséi folyamatokra. Mivel a felhőket alkotó vízcseppek és jégkristályok kialakulását többek között a levegő relatív páratartalma is meghatározza, ezért a fotoakusztikus műszer által szolgáltatott gyors és pontos mérések alapvetően fontosak e kölcsönhatások tanulmányozása során. Részvételünk az AIRTOSS mérési kampányban jelentős előrelépést indukálhat a hazai éghajlatkutatásban. A mérési adatok kiértékelésében való részvételünk új nemzetközi kapcsolatokat eredményez, szélesíti a hazai éghajlatkutatást, ami jelenleg erősen modellfelhasználói szintre korlátozódik.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A vízgőz a légkör egyik gyorsan változó összetevője. Nem csak a felhőképződésben játszik szerepet, de üvegházhatású gázként befolyásolja a Föld-légkör rendszer sugárzásegyenlegét. Ha növelni akarjuk a szélsőséges időjárást eredményező zivatarok előrejelzésének pontosságát, vagy pontosítani szeretnénk a különböző felhőtípusoknak a Nap, illetve a Föld-légkörrendszer által kibocsátott sugárzásra gyakorolt hatását pontos és a légkör nagy részére kiterjedő mérési adatokkal kell rendelkeznünk a vízgőzre vonatkozóan. Ennek ellenére jelenlegi tudásunk ezen eloszlásokról nem kellően pontos a fenti jelenségek megbízható modellezéséhez. Ezért telepítettek és telepítenek vízgőzmérő műszereket kutató és menetrend szerint közlekedő repülőgépekre, melyekkel folyamatos módon, nagy térbeli és időbeli feloldással lehet ezeket az eloszlásokat mérni. A mérésekre különböző műszereket használnak, de a Szegedi Tudományegyetemen kifejlesztett fotoakusztikus spektroszkópián alapuló mérőműszer a többi konkurens mérő műszerrel összehasonlítva számos kimagasló előnnyel rendelkezik, mint pl. a gyors válaszidő, a nagy pontosság és a kivételes robosztusság. A jelen pályázat célja, hogy a Szegedi Tudományegyetem a repülőgépes vízgőzmérés egyik vezető tudásközpontjával, a Jülichi Kutatóközponttal (Forschungszentrum Jülich) végzett közös repülőgépes és laboratóriumi teszteken keresztül megvizsgáljuk milyen módszerekkel lehetne növelni a műszer megbízhatóságát, majd pedig részletesen teszteljük ezeket a megoldásokat. A kutatás eredményeként létre jöhet egy olyan mérőműszer, amely alapműszerré válik a repülőgépes meteorológiai mérésekben és a klímakutatásban.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The objective of the proposal is participating the AIRTOSS flight measurement campaign and its data analysis process in cooperation with the Research Centre Juelich (FZJ) with our self developed automatic operation airborne photoacoustic spectroscopy based atmospheric humidity and total water content measurement system. The objective of AIRTOSS is studying cirrus clouds, and for its success accurately measuring humidity and total water content is essential and members of FZJ agree that for this purpose our instrument is the most appropriate one. Our goal is to use the campaign measurement experiences and relying on the FZJ world-renowned water vapor calibration tool park, and the there available other non-photoacoustic humidity measuring instruments for further increasing the absolute accuracy of instrument in the entire measurement range (the goal: 0.05 ppm of the measured value or 1% whichever is greater). We are about to reach this accuracy increase by decreasing the uncertainties during the calibration, by the systematic analysis of the sensitivity and the stochastic signals, by the development of new noise reducing methods, by applying a new more accurate signal conditioning and data acquisition electronics and by the application of a new modulation method. Based on the results of the AIRTOSS campaign results, on the comparison of these results with computer simulations and with radiosonde measurements, and on other parallel airborne measurement campaigns (e.g. CARIBIC, EUFAR) we want to prove that the reliability of the increased absolute accuracy system based measurements based scientific conclusions can be highly improved .
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
One fundamental question of this research project is how accurate measurements can be made with our worldwide novel airborne photoacoustic spectroscopy based humidity and total water content measurement system developed by us at Univerity of Szeged, and how this accuracy can be improved by the planned development results in the wide humidity (and total water concentration) (4-40000 ppm) and pressure (180-1000 mbar) range that can occur during airborne measurements. For this purpose we are about to develop a calibration method that would help calibrating the instrument for the most reliable and the most accurate operation, and we are about to prove that by applying a novel modulation method suggested by us the accuracy still can be increased and we plan to perform further studies on increasing the accuracy.
The other fundamental question is how the increased accuracy of the measurements performed by the increased instrument effect on the reliability of the scientific conclusions. We plan to answer this question based on the results of AIRTOSS and other airborne campaigns, on radiosonde measurements and on computer modeling. We are about to systematically and convincingly confirm the more and more accepted opinion of the international scientific community that our photoacoustic instrument has unique advantages in comparison with other non-photoacoustic, but similar purpose airborne humidity measuring ones. These advantages are the approximately 2 seconds of response time and a dynamic range that can cover up the whole possible concentration range.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
On one hand a globally novel airborne ready humidity and total water concentration measurement system has been developed by us which is already partially ready for continuously measuring these parameters highly accurate with fully automated airborne operation through years. After the planned research tasks this instrument even can become a base instrument in such research projects providing essential and new data for meteorology and climate research. As a result of the successful developments the instrument will uniquely be ready for measuring in the whole humidity (4-40000 ppm) and pressure (180-1000 mbar) range that can occur during airborne measurements (the goal: 0.05 ppm of the measured value or 1% whichever is greater). The instruments now participate in several measurement campaigns so increasing its accuracy and reliability is essential. Such instruments are used in the CARIBIC and EUFAR projects and soon one will be applied on the research airplane of Environment Canada (Meteorological Research Division). After the successful developments the instrument will likely be applied in the IAGOS project what is a EU project within the European Research Infrastructure Consortium (ERIC) with the scientific coordination of FZJ. Its aim is creating a climate-monitoring network, which is formed by different types of measuring instruments mounted on approximately 20 scheduled flight aircrafts.
On the other hand the development of the instrument can bring new perspectives in the Hungarian atmosphere physics and chemistry research. The cloud-aerosol interactions highly effects on the moisture formation what highly impacts weather and climate. As besides other parameters relative humidity determines the formation of the cloud forming ice and water droplets the accurate and high frequency data provided by the photoacoustic instrument are essential in the analysis of these interactions. Our participation in the AIRTOSS measurement campaign can induce a great leap forward in the Hungarian climate research. Participating in the data analysis process would lead to new international partnerships this way broadening the Hungarian climate research which is currently mostly limited to the level of model application.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Humidity is one of the quickly varying contents of the atmosphere. It not only has importance in cloud forming but as being a greenhouse gas it effects on the radiation balance of the Earth-atmosphere system. If we would like to improve the accuracy of forecasting extreme weather thunderstorms or would like to specify the effect of different types of clouds on the radiation of Sun and of the Earth-atmosphere system than highly accurate global measurements of humidity are essential. In spite of this our knowledge about this distribution is limited for reliably modeling these phenomena. That’s why humidity measurement systems have been mounted on research and in-service aircrafts to continuously measuring humidity with high space and time resolution. Several types of instruments are used for this purpose, but the photoacoustic spectroscopy based on developed at University of Szeged has certain advantages in comparison with the concurring ones, like fast response time, high accuracy and excellent durability. This proposal aims to cooperation between University of Szeged and Research Centre Juelich (Forschungszentrum Jülich), a leading knowledge center about airborne humidity measurements for examining and testing the possibilities of further developments of the photoacoustic instrument through joint flight and laboratory measurements. This research project can lead to a measurement system that can become a standard one in meteorological measurements and climate research.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| D. Tátrai, Z. Bozóki, A. Zahn, H. Smit, G. Szabó: Development of an airborne dual channel hygrometer based on photoacoustic spectroscopy, MOZAIC–IAGOS Scientific Symposium on Atmospheric Composition 2014, Toulouse, 2014 | | D. Tátrai, Z. Bozóki, H. Smit, C. Rolf, N. Spelten, M. Krämer, A. Filges, C. Gerbig, G. Gulyás, G. Szabó: Dual channel photoacoustic hygrometer for airborne measurements: calibration, laboratory and in-flight inter-comparison tests, Atmos. Meas. Tech., 8, 401–410, (2015), 2015 | | D Tatrai, Z Bozoki, G Gulyas, G Szabo: Embedded system based data acquisition and control system for photoacoustic spectroscopic applications, MEASUREMENT 63: 259-268, 2015 | | Lábó, E. and I. Geresdi: Study of longwave radiative transfer in stratocumulus clouds by using bin optical properties and bin microphysics scheme, Atmospheric Research, 167, 61 - 76, 2016 | | Sarkadi N., I. Geresdi , G. Thompson: Numerical simulation of precipitation formation in the case orographically induced convective cloud: Comparison of the results of bin and bulk microphysical schemes, Atmospheric Research, 180, 241-261, 2016 | | Christian Rolf, Jessica Meyer, Cornelius Schiller, Susanne Rohs, Nicole Spelten, Armin Afchine, Martin Zöger, Nikolay Sitnikov, Troy D. Thornberry, Andrew W. Rollins, Zoltan Bozóki, David Tátrai, Volker Ebert, Benjamin Kühnreich, Peter Mackrodt, Ottmar Möhler, Harald Saathoff, Karen H. Rosenlof, Martina Krämer: Two decades of water vapor measurements with the FISH fluorescence hygrometer: a review, Atmospheric Chemistry and Physics 15, 15, 8521-8538, 2015 | | J. Cuxart, D. Tatrai, T. Weidinger, A. Kircsi: Use of Infrasound as a detector of local and remote turbulence Boundary-Layer Meteorology, Boundary-Layer Meteorol 159:185–192, 2016 | | Simon K A, Ajtai T, Gulyás G, Utry N, Pintér M, Szabó G, Bozóki Z: Accuracy assessment of aerosol source apportionment by dual wavelength photoacoustic measurements, J AEROSOL SCI 104: 10-15, 2017 | | D Tatrai, Z Bozoki, G Gulyas, G Szabo: Embedded system based data acquisition and control system for photoacoustic spectroscopic applications, MEASUREMENT 63: 259-268, 2015 | | Tátrai D, Bozóki Z, Smit H, Rolf C, Spelten N, Krämer M, Filges A, Gerbig C, Gulyás G, Szabó G: Dual-channel photoacoustic hygrometer for airborne measurements: Background, calibration, laboratory and in-flight intercomparison tests, ATMOS MEAS TECH 8: (1) 33-42, 2015 | | D W Fahey, R-S Gao, O Möhler, H Saathoff, C Schiller, V Ebert, M Krämer, T Peter, N Amarouche, L M Avallone, R Bauer, Z Bozóki, L E Christensen, S M Davis, G Durry, C Dyroff, R L Herman, S Hunsmann, S M Khaykin, P Mackrodt, J Meyer, J B Smith, N Spelten, R F Troy, H Vömel, S Wagner, F G Wienhold: The AquaVIT-1 intercomparison of atmospheric water vapour measurement techniques, ATMOS MEAS TECH 7: (9) 3177-3213, 2014 | | Bozóki Zoltán, Tátrai Dávid, Gulyás Gábor, Varga Attila, Szabó Gábor: The Importance and Technology for Measuring Atmospheric Humidity in Airborne Applications, In: EGU2013 . Bécs, Ausztria, 2013.04.07-2013.04.12. Kiadvány: 2013. Paper 1. , 2013 | | D Tatrai, Z Bozóki, G Gulyas, A Varga G Szabó: Photoacoustic spectroscopy based dual channel hygrometer for airborne applications, , 2013 | | Tátrai Dávid, Bozóki Zoltán, Gulyás Gábor, Varga Attila, Szabó Gábor: Photoacoustic spectroscopy based dual channel hygrometer for airborne applications, In: Conference On Photoacoustic and Photothermal Theory and Applications: CPPTA 2013. Warsaw, Lengyelország, 2013.09.25-2013.09.27. Kiadvány: 2013. Paper 1. , 2013 | | Tátrai Dávid, Bozóki Zoltán, Szabó Gábor: Method for wavelength locking of tunable diode lasers based on photoacoustic spectroscopy, OPT ENG 52: (9) , 2013 | | D. Tátrai, Z. Bozóki, H. Smit, C. Rolf, N. Spelten, M. Krämer, A. Filges, C. Gerbig, G. Gulyás, G. Szabó: Dual channel photoacoustic hygrometer for airborne measurements: calibration, laboratory and in-flight inter-comparison tests, Atmospheric Measurement Techniques Discussion közlésre elfogadva, 2014 | | D. W. Fahey, R.-S. Gao, O. Möhler, H. Saathoff, C. Schiller, V. Ebert, M. Krämer, T. Peter, N. Amarouche, L. M. Avallone, R. Bauer, Z. Bozóki, L. E. Christensen, S. M. Davis, G. Durry, C. Dyroff, R. L. Herman, S. Hunsmann, S. M. Khaykin, P. Mackrodt, J. Meyer, J. B. Smith, N. Spelten, R. F. Troy, H. Vömel, S. Wagner, and F. G. Wienhold: The AquaVIT-1 intercomparison of atmospheric water vapour measurement techniques, Atmos. Meas. Tech. 7, 3177–3213, 2014 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
