LIDAR IPRAL IPSL HiPerformance multiwavelength Raman Lidar for

LIDAR IPRAL (IPSL Hi-Performance multi-wavelength Raman Lidar for Cloud Aerosol Water Vapor Research) + SIRTA aerosol & cloud in-situ + remote sensing measurements 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 © Gordien Strato

Objectifs EECLAT (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 T 1. 4, T 2. 2, T 2. 4). Nuages, Aérosols, (2) Aerosol transport and air quality, understanding the role and contribution of Vapeur d’eau, Brouillard, dust, volcanic ash, biomass burning plumes Gaz (CO, O 3) in major particle events; (EECLAT project Température T 3. 2, T 3. 4) Humidité Vent (3) Satellite mission preparation and Précipitation validation; retrieval of cloud and aerosol extinction profiles, backscatter and depolarization profiles for the preparation of the Earth. CARE mission (T 7) Profils UTLS Troposphère Couche limite Surface Sol Rayonnement Dynamique Turbulence

Objectif 1 : cirrus naturels et anthropiques, vapeur d’eau et rayonnement Avec le Lidar IPRAL - 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 Rapport mélange vapeur d’eau, (Hoareau et al. , AMTD, 2011) Mesure impact radiatif en surface Dupont et al. 2008 Cirrus, 2 effets: Chauffage solaire jour Refroidissement nuit Contenu en glace en fonction de la température (Heymsfield et al. , 2010)

Spécifications Nuages • Simulation avec ACTSIM: 1 ce cloud 8 to 9 km • ice • r = 20µm • multiple scattering = 0. 7 • optical depthτ = 0. 01 • EXTINCTION --> eff Assuming required SNR~3 – required noise < ~10 -4 km-1 sr-1 at 9 km –at temporal averaging < 5 minutes Backscatter at cloud level molecular : 5. 6 10 -4 km-1 sr-1 +cloud τ = 0. 01 : 8. 7 10 -4 km-1 sr-1 +cloud τ = 0. 02 : 14 10 -4 km-1 sr-1 required sensitivity 3. 1 10 -4 km-1 sr- • • 1 V. Noel, LMD

Spécification Vapeur d’eau DE JOUR DE NUIT ==> Optique de détection différente de jour et de nuit C. Hoareau (LMD)

Objectifs 2 : propriétés et impacts des aérosols transportés à longue distance (dust, biomasse, cendres) sur qualité de l’air Avec le Lidar IPRAL - Restituer des profils de diffusion avec une incertitude de 0. 01 km-1 Ansmann et al. 2010 - Estimer des profils de paramètre de taille des aérosols à partir de plusieurs longueurs d’onde Hostetler et Aerosol al. 2007 depolarization (532 nm) Backscatter color ratio (532/1064 nm) Lidar ratio (532 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/m 2/km-1)

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 Ordre de grandeur de la diffusion Spécifications multiples du Lidar IPRAL Molécules et particules diffusant les photons 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 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 (H 20) - Pilotage de adaptation du fonctionnement aux conditions atmosphériques (densités, détecteurs); étalonnage (alignement, dépolarisation) - Systèmes de sécurité automatiques Innovation à partir de solutions techniques existantes Proposition initiale Gordien Strato/Raymetrics, Fév 2012 Pre-design study: en cours (Mars 2013)

IPRAL - développements algorithmiques Masques nuages, aérosols: algo STRAT (existant) Restitutions profils coef extinction, rétrodiffusion aérosols + taille/forme/type aérosols (PR 2 + Raman N 2): § EARLINET Single Calculus chain (existant) § Autres algos (développement SOERE ORAURE? , …) Restitutions profils coef extinction, rétrodiffusion nuages + taille/forme/type nuages (PR 2 + Raman N 2): § A développer à partir de l’existant Restitution profils rapport de mélange § Algos « NDACC » existants. Traitements communs OPAR, OHP, COPDD, SIRTA dans SOERE ROSEA

IPRAL - Montage financier et Calendrier - Enveloppe de réalisation : 780 k€ - Frais de fonctionnement: 15 k€/an (consommable et contrat de maintenance) - Co-financement par: Région Id. F, EP, IPSL, CNES/INSU Organisme % k€ HT Région Id. F 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 Id. F 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

IPRAL - Retour sur l’évaluation TOSCA (Section T 7=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 24 h/7 j) plusieurs difficultés ou points durs devraient être instruits : 1 - est-il techniquement faisable de réaliser un lidar Raman H 2 O qui fonctionne en 24 j/7 j 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 24 h/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 10 km avec résolution de 10 -min (30 -100 m 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. 5 g/m 3 de 0 à 2 -3 km en moyenne semi-horaire de jour ; 0 -10 km de nuit (rapport de mélange de l’ordre de 10100 ppmv à 10 km). 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 « 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 Id. F. 4. Déjà répondu en août 2011: Jouvence Lidar LNA; intégration dans les réseaux

IPRAL - Retour sur l’évaluation LEFE (dossier IPRAL=50 p) 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. INSU+CNES demande un nouveau dossier (environ 10 pages) répondant aux questions de LEFE et TOSCA

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

Low visibility event types Near-Fog 1 km<Visi<5 km Stratus cloud Stratus lowering Quasi-Fog 30 Shallow Fog 0 Developed Fog 34 1 km<Visi<2 km 34 Stratus lowering FOG Low Visibility Events driven by STRATUS 1 km<Visi<5 km Near-Fog 1 km<Visi<2 km Quasi-Fog 19 Shallow Fog 20 Developed Fog 14 T(z) Clear sky 34 Radiative FOG Low Visibility Events driven by RADIATIVE COOLING

Effect of cloud layer dynamics on stratus-to-fog transition and feedbacks with droplet properties and surface properties High pressure system (1025 h. Pa), very low stratus cloud Advection: 2. 5 m/s at 400 m Case of stratus lowering due to surface cooling + lifting due to precipitation

CL 31: Cloud base lowering 450 ->50 m from 12 -6 UTC BASTA: Stratus appears for Z>-35 d. BZ at 00 UTC. Z increases to 0 d. BZ at 7 UTC TPS: > 7 UTC: 0. 04 mm/h. > 11 UTC: 0. 03 mm Correlates with increased Z MAST: 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 35 d. BZ Preliminary: In-cloud DSD peaks near 10 um (350 m AGL)

PARISFOG DATA INTEGRATION Aerosol profiling T/RH profiling S. Pal (LMD), T. Elias (HYGEOS), M. Haeffelin (IPSL), JB. Renard (LPC 2 E), F. Burnet (CNRM) Backscatter signal JC Dupont (IPSL), D. Legain (CNRM) CL 31 ceilometer ALS 450 lidar Aerosol optical properties DF 20, DF 20+ diffusometer Nephelometer Aerosol size distribution SMPS, CPC, Welas + Extinction closure combining size distribution and visibility + CL 31 backscattering versus visibility and LOAC on tethered balloon Wind profiling JC. Dupont(IPSL), L. Musson-Genon (CEREA) E. Dupont (CEREA) Brightness temperature Hatpro MWR T/RH in-situ measurement Tethered balloon (0 -300 m) 3 D wind speed Mast sensors (0 -30 m) Radiosounding (0 -25 km) Cup anemometer Sonic anemometer Radiosounding + Evaluation of MWR retrieval with tethered balloon + Analysis of T/RH profile variability for F and QF Sodar PA 2, Doppler lidar WLS 7 & WLS 70, UHF radar 3 D wind speed + Evaluation of sodar, WLS and UHF radar versus in-situ sensors + Effect of mast on in-situ measurement Water profiling JC Dupont (IPSL), J. Delanoe (LATMOS) F. Burnet (CNRM) Reflectivity & Dop. velocity BASTA cloud radar Dropplet size distribution FM 100 Liquid water content PVM + Estimation of LW vertical profile combining in-situ and BASTA data + Comparisons between FM 100 and PVM

Microphysics of aerosols-droplets Dc ~ 2 µm 29/11 : aerosol hydration w/o activation 19/11 : hydration followed by fog formation From F. Burnet, (CNRM)

IPRAL - Equipe de recherche Chercheurs 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, coordinationale 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 Earth. CARE); F. Cheruy (LMD; modélisation GCM; lien avec CNR); M. Chiriaco (LATMOS; modélisation LAM; impacts nuages);