Contribution of elastic-backscatter lidars to wind field retrieval and atmospheric boundary layer monitoring

La capa limite atmosferica es la parte mas baja de la atmosfera donde tienen lugar toda la actividad humana y la mayoria de fenomenos meteorologicos. La capa limite esta directamente influida por la presencia del suelo y se caracteriza por su contenido en aerosoles, que son particulas solidas en suspension, procedentes de fuentes naturales o antropogenicas. El estudio de la atmosfera se ha convertido en un creciente tema de investigacion en las ultimas decadas. Las redes de instrumentos de teledeteccion desde el suelo pueden aportar datos para estudios meteorologicos, ambientales o climaticos con mejores resoluciones y precision que los satelites o instrumentacion a bordo de aviones. El lidar (Light Detection And Ranging) de retrodispersion elastica es actualmente un conocido y asequible instrumento de teledeteccion que mide una gran variedad de propiedades atmosfericas. Los lidares elasticos detectan los ecos opticos sin cambio de la longitud de onda en recepcion de aerosoles y moleculas cuando estos son iluminados por un haz laser. Los lidares pulsados miden habitualmente con resoluciones temporales de minutos y espaciales de metros la retrodispersion atenuada, la cual puede considerarse proporcional a la concentracion de aerosoles atmosfericos bajo condiciones de visibilidad de moderadas a altas. De este modo los aerosoles detectados por un lidar de retrodispersion actuan como trazadores de la estructura de la capa limite atmosferica y de su dinamica. Esta tesis doctoral desarrolla tecnicas de medida lidar y algoritmos para i) la monitorizacion de la altura de la capa limite y ii) la inversion de campos de viento horizontal. La parte experimental se ha llevado a cabo con el lidar del Remote Sensing Lab (RSLAB) de la Universitat Politecnica de Catalunya, Barcelona. La evolucion diaria de la altura de la capa limite se detecta de forma adaptativa por medio de un filtro de Kalman extendido (EKF), basandose en un modelo de perfil de senal lidar. Este algoritmo se ha simulado y se ha aplicado con datos reales bajo diferentes condiciones de medida y de la atmosfera, y se ha comparado con otros metodos de deteccion conocidos. Las estructuras inhomogeneas en la concentracion de los aerosoles son arrastradas por el viento y pueden ser seguidas para estimar su velocidad mediante lidares con capacidad de escaneo. Se presentan dos enfoques basados en la correlacion de senales lidar a diferentes lineas de vision (LDV). Por un lado, el viento radial se estima para una cierta LDV mediante un analisis de la curva de contorno de una autocorrelacion bidimensional distancia-tiempo. Por otro lado, funciones de autocorrelacion y correlaciones cruzadas a partir de escaneos con angulos de elevacion baja se analizan mediante un modelo generalizado que describe estructuras anisotropicas de aerosoles. Ambos metodos se han aplicado exitosamente con medidas del lidar RSLAB y se han validado con radiosondeos.