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CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 1/15
Les Aérosols au SIRTA : mesures et études
Conseil Scientifique LMD,
session AEROSOL, le 14/03/2014
JC. Dupont, M. Haeffelin, C. Pietras, et al.
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 2/15
1. Le Lidar IPRAL au SIRTA en 2015
2. L’algorithmie STRAT+ : hauteur de couche limite
3. Réseaux de Lidars-Télémètres en Europe
4. Les mesures aérosols in-situ sur la zone 5 du SIRTA
5. Le rôle des aérosols dans le cycle de vie des brouillards
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 3/15
LIDAR IPRAL (IPSL Hi-Performance multi-wavelength Raman Lidar for Cloud Aerosol Water Vapor Research)
© Gordien Strato
AGENDA� Predesign study Jan-June 2013 by Gordien Strato & Raymetrics: Done� Purchase procedure : Underway March 2014� Manufacture and quality check : March 2014 – March 2015� Deployment at SIRTA : March 2015
IPRAL SPECIFICATIONS
Emission Spectra Physics, Quanta Ray PRO 290-301064nm laser 1600mJ
Overlap Far Field : better than 2500mNear Field : better than 300m
Telescop Far Field (FF) 600: 2 – 15 kmNear Field (NF) 200: 300m – 3 km
Wavelength Backscatter signal1064nm for FF, 24/24; 355nm for NF, 24/24; 532nm for NF and FF, 24/24RamanN2, 387 and 607nm for FF, 24/24; H2O, 408nm for FF and NF, 24/24Channel optics and electronics up to 10 channels
Depolarization @355 nm
Depolarization calibration +/- 45 degree method, motorized waveplate
IPRAL PERFORMANCES
SNR
Backscatter signal >3 @ 0.3 to 15km (Day, 10min avg.)
Raman signal Nitrogen >3 @ 0.3 to 7km (Day, 20min avg.)
>3 @ 0.3 to 12km (Night, 20min avg.)
Raman signal water vapor >3 @ 2 to 5km (Day, 30min avg.)
>3 @ 2 to 10km (Night, 10min avg.)
Plan
1. Lidar IPRAL (1/2)
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
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IPRAL – A national tool to contribute to national an d international networks
PROJECT/PROGRAM CONTRIBUTION
I3 ACTRIS (FP7) Aerosol transport in Europe
SOERE ORAURE Aerosol properties
SOERE ROSEA Cirrus and water vapor
Mission EARTHCARE Mission preparation and validation
Météo-France Lidar Network Support for aerosol speciation
ACTRIS
CONSTRAINTS:-N2 Raman for extinction and backscatter retrieval � high performance-Multi wavelength for aerosol properties � complex-Routine operation (day and night) � robotized
IPRAL OBJECTIVES1. Aerosol transport and air quality, understanding the role and contribution of dust, volcanic ash, biomass burningplumes in major particle events; 2. Cloud and water vapor processes in the upper troposphere; cirrus life cycle and radiative impact; anthropogeniccirrus clouds (contrails) and their radiative impacts
Plan
1. Lidar IPRAL (2/2)
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 5/15
(1) Initial step: derive significant aerosolgradients and cloud-base height from high-resolution Lidar attenuated backscatter (2-Dgradient technique)
(2) Improve attribution: identify the layer inwhich surface emitted species are mixed(Mixing Layer Depth, MLD)
� Transitions: Atmospheric-layer stability class(stable, neutral, unstable) from Monin-Obukovparameter� Max turbulent mixing: Lidar backscattervariance analysis
STRAT+: Automatic, objective layer attribution comb ining diagnostics of surface stability, mixing process, and backscatter gradients from aerosols an d clouds with Quality Control and Uncertainty Bars.
Mixing height
Backscatter
(1) Haeffelin et al. (BLM) 2012; (2) Pal et al. 2013(JGR)
STRAT+ mixing height retrieval from Lidar + Sonic A nemom.
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+ (1/2)
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 6/15
MLD retrievals STRAT+ on ALS450
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+ (2/2)
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
� Etude statistique (2009-2013) sur les processus (bilan radiatif, flux de surface, humidité,entrainement, subsidence, stabilité de la tropo libre) qui gouvernent la variabilité dudéveloppement diurne de la couche limite (Pal and Haeffelin, 2014 under preparation)
� Etude des sources d'incohérence entre différents traceurs utilisés pour suivre ledéveloppement de la couche limite: profils aérosols, profils température, profils de vent, profilsde turbulence (Batchvarova, Haeffelin, Pal, Cimini, Dupont. E. Batchvarova visiting scientist auLMD en mai 2014).
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POTENTIAL EUROPEAN LIDAR-CEILOMETER NETWORK
Dense networks of profilers: motivation to improve retrievals
ALL
COURTESY OF W. THOMAS (DWD)
HAEFFELIN ET AL. 2012PROFILING
Met Services are replacing cloud-base ceilometer ne tworks by aerosol/cloud profiling Lidar-ceilometers.Some are already organizing their data in networks and providing backscatter data in NRT (e.g. KNMI, DWD, UKMO, …)
� Cloud base height monitoring� Aerosol profiling for air quality forecast� Ash/aerosol monitoring for transport safety� Near real time fog prediction� Mixing height monitoring � Numerical weather prediction model evaluation
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe (1/2)
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 8/15
Aim of TO-PROF* (COST Office decision on 2013/05/15):The new generation of weather forecast models with resolution about 1km will benefit from such observationwhich should lead to improved forecasts of hazardous weather ranging from severe convective storms to pollutionepisodes.• to coordinate standard procedures for Automatic Licar-ceilometers, Doppler lidars and microwave radiometers• to support provision of quality controlled and calibrated observations of winds, temperature, humidity, clouds andaerosols in the lowest few km of the atmosphere to National Meteorological and Hydrological Services (NMHSs)for near real-time use.Working Group on Automatic Lidars and Ceilometer to develop calibrated backscatter profiles for modelevaluation and assimilation.
Complementary roles of E-PROFILE and TOPROF in implementin g new observing systems.� E-PROFILE is involved in high-level coordination, setting up the hardware for data transfer, implementingstandard formats and procedures� TO-PROF to develop common calibration, maintenance, and retrieval algorithms needed for ceilometers,microwave radiometers and doppler lidars
TOWARDS INTEGRATED EUROPEAN NETWORK OF AUTOMATIC PROFILING LIDAR CEILOMETER
EG-CLIMET Action (2009-2012)TO-PROF Action (2014-2017)
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe (2/2)
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 9/15
Tour Eiffel (20km)
CEA - Orme des Merisiers
Ecole Polytechnique (3km)
CEA - Saclay
Observations in-situ gaz/aérosols du SIRTA, site du LSCE
Station de mesure in-situ gaz réactifs/aérosols
Laboratoire de mesure de 70m², Local technique = 12m²,Bureau = 12m²
zone 5Premières mesures de
NO/NO2 du programme ACTRIS au SIRTA
(N. Bonnaire, V. Gros)
Instruments de suivi temps réel des propriétés in-situ des aérosols
(J. Sciare, J.E. Petit, R. Sarda-Estève, V. Crenn)
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ (1/3)
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 10/15
Un supersite de mesures atmosphériques intégréaux réseaux régionaux, nationaux et internationaux
Observatoire national SOERE « ORAURE »
Mars 2013 Exercice d’intercalibration des mesures
optiques des stations françaises de mesure des aérosolsAURORE
Réseau EU de supersites atmosphériques « ACTRIS »
2011-2013 / Exercice d’intercalibration EU des techniques analytiques gaz/aérosols (VOC, NOx, chimie des aérosols (ions, carbone, traceurs organiques), propriétés optiques des aérosols, …
Novembre 2013Exercice d’intercalibration des mesures de détection en temps réel de la chimie des particules fines impliquant la quasi-totalité des supersites atmosphériques EU
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ (2/3)
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 11/15
Saisonnalité des aérosols de combustion à Paris
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PM
(tra
fic)
, µg/
m3 Suivi des concentrations PM "trafic"
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PM
(ch
auff
age
au
bo
is),
µg
/m3 Suivi des concentrations PM "chauffage au bois"
⇒⇒⇒⇒ En moyenne annuelle, à Paris, la pollution particulaire liée au chauffage au bois estéquivalente à celle produite par le traffic
[Sciare et al.]
L’accident industriel de Rouen détecté au SIRTA le 20 janvier 2013
Mesures on-line de composés organiques volatils
(COV) par spectrométrie de masse (PTRMS) :
180 masses mesurées toutes les 6 minutes
� Mise en évidence des concentrations importantes de divers polluants (acétone,
acide acétique…) en plus du méthyl mercaptan, dont plusieurs généralement non
observés dans l’atmosphère (pyrrole, cyclopropylamine…) et plusieurs masses non
identifiées [Gros et al.]
Beekmann et al. (2013), GRL
Origine géographique de La pollution liée aux particulesfines (PM2.5) en Ile-de-
France:
⇒⇒⇒⇒ En moyenne sur l’annéePrès des 3/4 de la pollution
particulaire en IdF estimportée !!!
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ (3/3)
5. Aérosols et brouillard
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 12/15
INTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENTINTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENT
FOG
Increased aerosol backscatterTemperature inversion100% RH
Source: Haeffelin et al PAG 2013
� Aerosols grow by deliquescence over 200-m deep layer
Source: Haeffelin et al. PAG 2013. Case studies.
Lidar backscatter
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard (1/4)
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 13/15
400-2500 nm Aerosol conc° X5� VIS drops 2000 to 1000m � Net LW reduced by 30%
Source: Haeffelin et al PAG 2013
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard (2/4)
INTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENTINTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENT
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 14/15
Hence we conclude that while several hours of intense nighttime radiative cooling (-60 Wm-2) are necessary for radiative fog formation,
the main factors limiting activation of droplets are:
• lack of mixing in the surface layer (typically wind speed less than 0.5 ms-1),
• relative humidity exceeding 90% throughout the residual layer,
• low cooling rate in the surface layer (typically less than -1°C per hour on average) due to weak radiative cooling (0 to -
30 Wm-2 ) and near zero sensible heat fluxes, .
In addition we found some evidence of contrasted aerosol growth processes in the four events, possibly associated with diffusion of
precursor gases, which could be another factor impacting droplet activation.
FOG QUASI-FOG (No liquid phase)
Aerosol backscatter (yellow-green) et clouds (red), and temperature profile (K) et humidity (%)
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard (3/4)
INTERACTION AEROSOLS – RAYONNEMENT : EAU LIQUIDE ou NON?
INTERACTION AEROSOLS – RAYONNEMENT : EAU LIQUIDE ou NON?
[Haeffelin et al., 2013]
CSLMD session Aérosols, 14 Mars 2014. Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 15/15
CONDITIONS D’ACTIVATION des AEROSOLSCONDITIONS D’ACTIVATION des AEROSOLS
Fog nuclei = Total – Interstitial aerosols
Activated fraction
(AF
)
� Hygroscopicity: 0.1-0.2 (large fraction of organics)
� Activation diameter: 200-400 nm� Requires supersaturation: 0.05-0.1%
Source: Hammer et al FOGQUEST 2013
Plan
1. Lidar IPRAL
2. Algorithmie STRAT+
3. Réseau lidar-télémètres en Europe
4. Mesures in-situ
5. Aérosols et brouillard (4/4)
[Hammer et al., 2014]