Since water vapor plays an important role in the atmosphere, many different instruments capable of measuring quantities of vapor are available to atmospheric scientists. One such instrument is the microwave radiometer that can measure low-resolution profiles of water vapor. However, in the case of boundary layer and convective initiation studies, the resolution requirements by the scientific community are more demanding than what the instrumentation is currently capable of providing. Therefore, measurements techniques have been developed to help bridge this gap. One of these measurement techniques is tomography. The goal of this technique is to combine several similar instruments providing measurements at low ranging resolution or of integrated values, in such a way that they provide information on crossing paths, thereby making it possible to provide measurements at higher resolution. This technique has been used in meteorology to measure fields of water vapor and clouds. In this study, we examined the performance of the tomographic retrieval of a 2D water vapor field using ground-based microwave radiometry. Since microwave tomography requires the radiometers to scan near the horizon in order to provide measurements of water vapor near the surface, we first examined the biases that occur when scanning at these low elevations. The biases may be caused by the antenna beam width, the channel bandwidth, and the propagation models used in the instrument model. It was found that the errors in antenna beam width are larger that those of channel bandwidth. Then, we evaluated the information content and the accuracy of the microwave radiometer tomographic retrieval. The impact of different instrument characteristics (number of frequencies and elevation angles) and of different instrument set-ups (number and spacing between instrument) on the retrieval's solution was assessed. Although the use of multiple instruments in a tomographic set-up did improve the information content of the retrieval, the accuracy of the field was limited by the passive nature of the radiometric measurement, especially in the case of very variable water vapor fields. Finally, we investigated the impact of adding a Raman lidar to the microwave tomographic retrieval. This was done with the hope that including an active remote sensor would help the retrieval in variable fields. Three different ways to include the Raman lidar were tried. The simplest, and best way, to include the Raman lidar was to combine the observed vertical profile with the microwave radiometers in the retrieval. Here again, adding the Raman lidar improved the information content of the tomographic retrieval, but it did not significantly improve the accuracy of the retrieved field compared to the radiometer only retrieval. Therefore, although the tomographic technique did improve the information content and the accuracy of the solution in slow varying fields was good, the results in highly variable fields were disappointing. / Comme la vapeur d'eau joue un rôle important dans l'atmosphère, plusieurs instruments pouvant mesurer des quantités de vapeur sont disponibles aux scientifiques. Un tel instrument est le radiomètre à microondes qui peut fournir des données sur les profils de vapeur d'eau à basse résolution. Par contre, dans le cas d'études portant sur la couche limite ou sur l'initiation de la convection, la résolution requise par la communauté scientifique est au-delà des capacités courantes des instruments. Par conséquent, des techniques de mesure ont été développées pour combler le fossé. Une de ces techniques de mesure est la tomographie. Le but de cette technique est de combiner plusieurs instruments du même genre, qui fournissent des mesures à faible résolution en portée ou des mesures intégrées, de sorte qu'ils fournissent des informations sur des trajets qui se croisent. Ce qui permet de fournir des mesures à plus haute résolution. Cette technique a été utilisée en météorologie pour mesurer des champs de vapeur d'eau et de nuages.Dans cette étude, nous avons examiné la performance du recouvrement tomographique d'un champ de vapeur d'eau 2D en utilisant la radiométrie microonde à partir du sol. Vu que la tomographie microondes exige aux radiomètres de balayer près du sol afin de fournir des mesures de la vapeur d'eau en surface, nous avons commencé par examiner les biais qui se produisent lors du balayage à ces basses altitudes. Les biais peuvent être causées par la largeur du faisceau d'antenne, la largeur des canaux et les modèles de propagation utilisés dans le modèle de l'instrument. Il a été constaté que les biais causés par la largeur du faisceau sont plus importants que ceux causés par la largeur des canaux. Ensuite, nous avons évalué le contenu de l'information et de l'exactitude du recouvrement tomographique avec les radiomètres microondes. L'impact des différentes caractéristiques des instruments (nombre de fréquences et les angles d'élévation) et de la configuration des instruments (le nombre d'instrument et l'espacement entre eux) sur la solution tomographique a été évaluée. Bien que l'utilisation de plusieurs instruments dans une configuration tomographique a amélioré le contenu de l'information du recouvrement, la précision du champ a été limitée par la nature passive de la mesure radiométrique, en particulier dans le cas des champs de vapeur d'eau très variables.Enfin, nous avons étudié l'impact de l'ajout d'un lidar Raman au recouvrement tomographique microondes. Ceci a été fait avec l'espoir que l'ajout un instrument de télédétection actif aiderait au recouvrement des champs variables. Trois différentes façons d'inclure le lidar Raman ont été essayées. La façon la plus simple, et la meilleure, d'inclure le lidar Raman était de combiner le profil vertical observé par le lidar avec les données des radiomètres microondes dans le recouvrement. L'ajout du lidar Raman a amélioré le contenu de l'information du recouvrement tomographique. Cependant, ceci n'a pas amélioré la précision du champ recouvré de manière significative par rapport au recouvrement qui utilise seulement les radiomètres. Par conséquent, bien que la technique tomographique a amélioré le contenu de l'information et que la précision de la solution du recouvrement dans le cas des champs lisses est bonne, les résultats dans des champs variables sont décevants.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121178 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Meunier, Véronique |
| Contributors | Pavlos Kollias (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Atmospheric and Oceanic Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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