LIDAR IPRAL (IPSL Hi-Performance multi-wavelength Raman Lidar for Cloud Aerosol Water Vapor Research)

+

SIRTA aerosol & cloud in-situ + remote sensing measurements

© Gordien Strato

M. Haeffelin, JC. Dupont (IPSL)

V. Noel, C. Hoareau, L. Menut, C. Pietras, P. Delville, C. Cenac, F. Lapouge (LMD)

P. Keckhut, Y. Courcoux (LATMOS)

T 7

Workshop EECLAT 2013/01

(1) Cloud and water vapor processes in the upper troposphere; cirrus life cycle and radiative impact; anthropogenic cirrus clouds (contrails) and their radiative impacts (EECLAT project T1.4, T2.2, T2.4).(2) Aerosol transport and air quality, understanding the role and contribution of dust, volcanic ash, biomass burning plumes in major particle events; (EECLAT project T3.2, T3.4)(3) Satellite mission preparation and validation; retrieval of cloud and aerosol extinction profiles, backscatter and depolarization profiles for the preparation of the EarthCARE mission (T7)

Objectifs EECLATObjectifs EECLAT

Température Humidité

Vent Précipitation

Nuages, Aérosols,

Vapeur d’eau, Brouillard,

Gaz (CO, O3)

Rayonnement Dynamique Turbulence

ProfilsUTLS

Troposphère Couche limite

Surface Sol

Objectif 1 : cirrus naturels et anthropiques, vapeur d’eau et rayonnement

Avec le Lidar IPRAL

Rapport mélange vapeur d’eau, (Hoareau et al., AMTD, 2011)

Contenu en glace en fonction de la température

(Heymsfield et al., 2010)

- Mieux comprendre les conditions de formation et persistance des cirrus anthropiques (mesures de vapeur d’eau)

-Distinguer cirrus naturels et anthropiques: propriétés microphysiques particulières (taille, forme)

- Quantifier propriétés de diffusion des cirrus et effets radiatifs

Mesure impact radiatif en surface

Cirrus, 2 effets: Chauffage solaire jour Refroidissement nuit

Dupont et al. 2008

Spécifications Nuages Assuming required SNR~3– required noise < ~10-4 km-1sr-1 at 9 km–at temporal averaging < 5 minutes

V. Noel, LMD

•Simulation avec ACTSIM: 1ce cloud 8 to 9 km•ice•reff = 20µm•multiple scattering = 0.7•optical depthτ = 0.01• EXTINCTION -->

Backscatter at cloud level•molecular : 5.6 10-4 km-

1sr-1

•+cloud τ = 0.01 : 8.7 10-4 km-1sr-1

•+cloud τ = 0.02 : 14 10-

4 km-1sr-1

•required sensitivity 3.1 10-4 km-1sr-1

Spécification Vapeur d’eau

C. Hoareau (LMD)

DE JOUR

DE NUIT

==> Optique de détection différente de jour et de nuit

Objectifs 2 : propriétés et impacts des aérosols transportés à longue distance (dust, biomasse, cendres) sur qualité de l’air

Avec le Lidar IPRALAnsmann et al. 2010- Restituer des profils de diffusion

avec une incertitude de 0.01 km-1

- Estimer des profils de paramètre de taille des aérosols à partir de plusieurs longueurs d’onde

Aerosol depolarization

(532 nm)

Lidar ratio (532 nm)

Backscatter color ratio (532/1064 nm)

Ratio of depolarization (1064/532 nm)

- Spéciation des aérosols (nature, taille) par rapport Lidar, rapport de couleur, rapport dépolarisation

- Estimer les concentrations massiques (classification de coefficient masse-extinction kg/m2/km-1)

Hostetler et al. 2007

Document de 5 pages de spécification

- Accéder aux propriétés de taille, forme, nature, diffusion des aérosols et nuages

- Rapport de mélange vapeur d’eau (Section de diffusion Raman)

- Ajustements, étalonnages pilotés: vérifications régulières

- Fonctionnement autonome (sécurité): longues séries de mesure

- Fonctionnement long-terme: 10 ans

Spécifications multiples du Lidar IPRAL

Molécules et particules diffusant les photons

Ord

re d

e g

ran

deu

r d

e la

dif

fusi

on

Solutions: « Pre-design study de 3 mois » : définition des solutions techniques possibles, des compromis, des capacités de fonctionnement, des coûts associés Fabrication du système par un industriel: utilisation de technologies existantes et éprouvées (livraison fin 2013)

Solutions: « Pre-design study de 3 mois » : définition des solutions techniques possibles, des compromis, des capacités de fonctionnement, des coûts associés Fabrication du système par un industriel: utilisation de technologies existantes et éprouvées (livraison fin 2013)

IPRAL - Solution technique proposée

Proposition initiale Gordien Strato/Raymetrics, Fév 2012

Pre-design study: en cours (Mars 2013)

Caractéristiques importantes

- Emission et réception de haute puissance pour capturer des diffusions ténues

- Performances optiques et électroniques haute qualité (analog./comptage): précision de mesure

- Voies de détection haute couche et basse couche séparées; jour et nuit séparées (H20)

- Pilotage de adaptation du fonctionnement aux conditions atmosphériques (densités, détecteurs); étalonnage (alignement, dépolarisation)

- Systèmes de sécurité automatiques

Innovation à partir de solutions techniques existantes

Innovation à partir de solutions techniques existantes

IPRAL - développements algorithmiques

Masques nuages, aérosols: algo STRAT (existant)

Restitutions profils coef extinction, rétrodiffusion aérosols + taille/forme/type aérosols (PR2 + Raman N2):

EARLINET Single Calculus chain (existant)

Autres algos (développement SOERE ORAURE?, …)

Restitutions profils coef extinction, rétrodiffusion nuages + taille/forme/type nuages (PR2 + Raman N2):

A développer à partir de l’existant

Restitution profils rapport de mélange

Algos « NDACC » existants. Traitements communs OPAR, OHP, CO-PDD, SIRTA dans SOERE ROSEA

IPRAL - Montage financier et Calendrier

- Enveloppe de réalisation : 780 k€ - Frais de fonctionnement: 15k€/an (consommable et contrat de maintenance)- Co-financement par: Région IdF, EP, IPSL, CNES/INSU

Organisme % k€ HT

Région IdF 45 350

EP 15 120

IPSL+LMD 22 170

CNES+INSU 18 140

TOTAL 100 780

- Pré-étude: solutions techniques et chiffrage (Jan-Mar 2013) - Demande à la Région IdF à travers l’AO équipements mi-lourds (mars 2012) - Demande TOSCA (avril 2012) X- Demande LEFE (sept 2012) X- Réalisation: 2013-2014

Co-financement:

82% acquis

18% nouvelles demandes

Co-financement:

82% acquis

18% nouvelles demandes

IPRAL - Retour sur l’évaluation TOSCA (Section T7=5 pages)AVIS TOSCA relatif à la demande de co-financement du Lidar IPRAL:

Le SIRTA demande une contribution au CNES pour financer un nouveau lidar multilongueurs d’onde Raman, destiné à remplacer le lidar. Une contribution de 100 k€ (sur 780 k€) est demandée au CNES.Concernant le développement de ce nouveau lidar (nuages, aérosols, profil vapeur d’eau, opération 24h/7j) plusieurs difficultés ou points durs devraient être instruits :1- est-il techniquement faisable de réaliser un lidar Raman H2O qui fonctionne en 24j/7j et donc y compris de jour ?2- le SIRTA a t-il suffisamment de personnel technique qui possède l’expertise technique pour développer ce nouveau lidar ?3- la proposition ne semble pas s’appuyer sur les recommandations du Comité Scientifique du SIRTA. Pourquoi ?4- quid de l’avis de la CSOA qui a mené un audit lidar en 2011 ?Le groupe n’est donc pas favorable au financement de ce nouveau lidar.

1. Il est techniquement faisable de construire un Lidar pour l’étude des aérosols, nuages et vapeur d’eau qui fonctionne en continue de manière autonome 24h/24 en dehors des périodes de maintenance. Plusieurs modèles existent déjà qui sont déployés dans d’autres observatoires, tels que Payerne en Suisse, Cabauw au Pays-Bas. La limitation principale est liée aux performances du Lidar qui varient de manière significative entre le jour et la nuit. Les performances attendues sont : • Aérosol : profil de propriétés des aérosols (extinction, paramètres de taille, spéciation) de 0 à 10km avec résolution de 10-min (30-100m de résolution verticale). L’extinction doit être restituée avec une incertitude de l’ordre de 0.01 km-1.• Vapeur d’eau : incertitude de 10% ou environ 0.5g/m3 de 0 à 2-3km en moyenne semi-horaire de jour ; 0-10 km de nuit (rapport de mélange de l’ordre de 10-100 ppmv à 10km). Les données vapeur d’eau de jour seront donc limitées aux 2-3 premiers kilomètres d’atmosphère.

2. L’instrument proposé est issu d’un développement par un industriel, utilisant des solutions techniques éprouvées. Les spécifications techniques sont données par un groupe de scientifiques experts en exploitation de mesures Lidar de l’IPSL (LMD, LATMOS). Une étude sera réalisée par la société Gordien Strato pour proposer des solutions techniques, chiffrer les performances, et les coûts exacts. Les solutions techniques seront ensuite choisies pour s’approcher au mieux des spécifications techniques tout en restant dans le budget disponible. L’instrument sera ensuite réalisé par un industriel ayant déjà l’expérience de fabriquer des Lidar sur mesure. Ces phases seront suivies par des ingénieurs instrumentalistes du LMD. Le SIRTA interviendra principalement sur la phase de fonctionnement et maintenance du Lidar, ayant des personnels déjà expérimentés pour ces tâches. En conclusion, le développement n’est pas assuré par le SIRTA dont ce n’est pas la vocation. Une équipe de suivi sera mise en place au LMD. De plus,les laboratoires de l’IPSL dans une démarche coordonnée offrent l’expertise technique pour suivre le développement de ce nouveau lidar. Le SIRTA a suffisamment de personnel technique pour le fonctionnement du lidar une fois développé.

3. Contrairement à l’impression qu’a eu le TOSCA, la proposition s’appuie largement sur les recommandations du Comité Scientifique du SIRTA.Le projet scientifique (définition des objectifs) ayant abouti à une définition du cahier des charges (spécifications des performances techniques) est issu de contributions provenant d’une quinzaine de chercheurs, dont les 2/3 sont déjà des utilisateurs de données SIRTA et la moitié sont dans le conseil scientifique du SIRTA. Le projet scientifique IPRAL a été discuté plusieurs fois en CS SIRTA. Le compte rendu du CS SIRTA du 15 février 2012 indique que « Implantation de l'instrument (IPRAL) au SIRTA permettrait de servir une communauté large d’utilisateurs, de profiter de la synergie avec autres moyens de mesures, de valoriser les observations dans le cadre de réseaux internationaux. » Le CS recommande d’ « obtenir une lettre de soutien de EARLINET / ACTRIS ». Cette lettre a été jointe au dossier IPRAL examiné par la région IdF.4. Déjà répondu en août 2011: Jouvence Lidar LNA; intégration dans les réseaux

Dans la nouvelle version du projet, le développement d'un nouveau lidar est proposé. Cet instrument paraît scientifiquement intéressant, étant donné l'importance de l'observation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère et l'apport d'un tel instrument, mais le CS se pose plusieurs questions des questions concernant(1) la faisabilité technique:- Quelle capacité du lidar la nuit et le jour ?- Quelles contraintes pratiques et en personnel pour un fonctionnement en continu ? Le SIRTA peut-il bien répondre à ces contraintes ?- Quelle capacité en présence de nuages bas, moyens, hauts ?- Un faisceau non dangereux pour l’œil est-il envisageable ? (plutôt que de règlementer une zone qui ne protège que les hommes).(2) le contexte de ce développement à l'IPSL et la prise en compte des résultats de l'audit Lidar: Une réflexion est nécessaire autour de ces techniques Raman pour la mesure de la vapeur d'eau, de la température ou d'espèces en trace, pour en ressortir un projet concerté, fédératif au niveau national, et un dossier mieux construit et mieux justifié.

IPRAL - Retour sur l’évaluation LEFE (dossier IPRAL=50p)

INSU+CNES demande un nouveau dossier (environ 10 pages) répondant aux questions de LEFE et TOSCA

Contact : jean-charles.dupont@ipsl.polytechnique.fr

Aerosol-cloud dynamic/radiative processes in stratus-to-fog

transitions and radiative fog

JC. Dupont, M. Haeffelin (IPSL)

ACTRIS Workshop WP 22, 16-17 January 2013

Shallow Fog

Developed Fog

Stratus cloud

Stratus lowering FOG

Stratus lowering

Near-Fog

Quasi-Fog

34

034

30

Low Visibility Events driven by STRATUS

1km<Visi<2km

1km<Visi<5km

Near-Fog

Quasi-Fog

Shallow Fog

Developed Fog

Radiative FOG

Clear sky

T(z)

Clear sky

34 20

14

19

Low Visibility Events driven by RADIATIVE COOLING

1km<Visi<2km

1km<Visi<5km

Low visibility event types

Effect of cloud layer dynamics on stratus-to-fog transition and feedbacks with droplet properties and surface properties

High pressure system (1025 hPa), very low stratus cloud Advection: 2.5m/s at 400m Case of stratus lowering due to surface cooling + lifting due to precipitation

CL31: Cloud base lowering 450->50m from 12-6UTCBASTA: Stratus appears for Z>-35dBZ at 00UTC. Z increases to 0dBZ at 7UTCTPS: > 7UTC: 0.04 mm/h. > 11UTC: 0.03 mm Correlates with increased ZMAST: T: 7 ｰ2°C from 12-6 UTC. Moisture remains cst

In-situ profiles of droplet size distributions using LOAC spectrometer on tethered balloon.

At 00 UTC. Z about -35dBZ

Preliminary: In-cloud DSD peaks near 10 um (350m AGL)

PARISFOG DATA INTEGRATIONPARISFOG DATA INTEGRATION

Aerosol profiling T/RH profiling Water profilingWind profiling

Backscatter signal CL31 ceilometer ALS450 lidar

Aerosol optical properties DF20, DF20+ diffusometer Nephelometer

Aerosol size distribution SMPS, CPC, Welas

Brightness temperature Hatpro MWR

T/RH in-situ measurement Tethered balloon (0-300m) Mast sensors (0-30m) Radiosounding (0 -25km)

Reflectivity & Dop. velocity BASTA cloud radar

Dropplet size distribution FM100

Liquid water content PVM

3D wind speedSodar PA2, Doppler lidar WLS7 & WLS70, UHF radar

3D wind speedCup anemometerSonic anemometerRadiosounding

+ Extinction closure combining size distribution and visibility+ CL31 backscattering versus visibility and LOAC on tethered balloon

+ Evaluation of MWR retrieval with tethered balloon+ Analysis of T/RH profile variability for F and QF

+ Estimation of LW vertical profile combining in-situ and BASTA data+ Comparisons between FM100 and PVM

+ Evaluation of sodar, WLS and UHF radar versus in-situ sensors+ Effect of mast on in-situ measurement

JC Dupont (IPSL), J. Delanoe (LATMOS)

F. Burnet (CNRM)

JC. Dupont(IPSL), L. Musson-Genon (CEREA)

E. Dupont (CEREA)

JC Dupont (IPSL), D. Legain (CNRM)

S. Pal (LMD), T. Elias (HYGEOS), M.

Haeffelin (IPSL), JB. Renard (LPC2E), F.

Burnet (CNRM)

29/11 : aerosol hydration w/o activation

19/11 : hydration followed by fog formation

Dc ~ 2 µm

Microphysics of aerosols-dropletsMicrophysics of aerosols-droplets

From F. Burnet, (CNRM)

IPRAL - Equipe de rechercheChercheurs et ingénieurs contribuant - Aux développements algorithmiques nécessaires à l’exploitation de la mission- A l’exploitation scientifique de la mission- A la direction de la mission: cahier des charges de fonctionnement, développements technologiques, coordination nationale et internationale.- Au suivi technique de la mission

Autres chercheurs impliqués dans l’exploitation scientifique d’IPRAL : O. Boucher (LMD; propriétés des contrails); H. Chepfer (LMD; propriétés des cirrus; préparation EarthCARE); F. Cheruy (LMD; modélisation GCM; lien avec CNR); M. Chiriaco (LATMOS; modélisation LAM; impacts nuages);

Nom Organisme Rôle

M. Haeffelin IPSL Responsable mission IPRAL Exploitation scientifique thème 2 “interaction nuage-aérosol-vap.eau”

P. De lville LMD Chef projet: expertise optique C. Cenac LMD Groupe projet: expertise électronique

Experts LATMOS, LMD, LSCE Soutien au groupe projet: expertise Lidar

Equipe SIRTA

LMD/IPSL En charge du fonctionnement et maintenance IPRAL (C. Pietras, F. Lapouge, IE bap C IPSL)

V. Noel LMD PI algorithmie “nuage” Exploitation scientifique thème 1 “cirrus-vap.eau”

S. Turquety LMD Exploitation scientifique thème 3 “transport aérosol” L. Menut LMD Exploitation scientifique thème 3 “transport aérosol”

JC. Dupont IPSL Exploitation scientifique thème 2 “interaction nuage-aérosol-vap.eau”

C. Pietras LMD PI algorithmie “aérosol” Liaison avec EARLINET

P. Keckhut LATMOS PI algorithmie “vapeur d’eau” Exploitation scientifique thème 1 “cirrus-vap.eau”

TBD Météo-France

Responsable exploitation pour applications MF