Alfons Schwarzenboeck

HyMeX-SOP1: The Field Campaign Dedicated to Heavy Precipitation and Flash Flooding in the Northwestern Mediterranean

The Mediterranean region is frequently affected by heavy precipitation events associated with flash floods, landslides, and mudslides that cause hundreds of millions of euros in damages per year and often, casualties. A major field campaign was devoted to heavy precipitation and flash floods from 5 September to 6 November 2012 within the framework of the 10-year international HyMeX (Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment) dedicated to the hydrological cycle and related high-impact events. The 2- month field campaign took place over the Northwestern Mediterranean Sea and its surrounding coastal regions in France, Italy, and Spain. The observation strategy of the field experiment was devised to improve our knowledge on the following key components leading to heavy precipitation and flash flooding in the region: i) the marine atmospheric flows that transport moist and conditionally unstable air towards the coasts; ii) the Mediterranean Sea acting as a moisture and energy source; iii) the dynamics and microphysics of the convective systems producing heavy precipitation; iv) the hydrological processes during flash floods. This article provides the rationale for developing this first HyMeX field experiment and an overview of its design and execution. Highlights of some Intense Observation Periods illustrate the potential of the unique datasets collected for process understanding, model improvement and data assimilation.

Incorporation of aerosol particles between 25 and 850 nm into cloud elements: measurements with a new complementary sampling system

The interpretation of the physico-chemical processes in clouds is facilitated by segregating in situ cloud elements from their carrier gas and small particles (interstitial aerosol). Thus, the present study focuses on the quantitative phase segregation of interstitial air from cloud phase by two complementary samplers with microphysical on-line analysis of the separated phases. An improved counterflow virtual impactor (CVI) was developed for the collection and subsequent evaporation of the condensed phase, releasing dissolved gaseous material and residual particles. This sampler operates in the size range of few micrometers up to 50 μm in cloud element diameter and is matched by an interstitial Round Jet Impactor sampling the gas phase with interstitial particles. Calibrations of both samplers verified the calculated cut sizes D50 of 4, 5, and 6 μm and quantified the slope of the collection efficiency curves. Until this study no direct CVI measurements of the residual particle sizes far below the diameter of 0.1 μm were available. For the first time a CVI was connected to a Differential Mobility Particle Sizer (DMPS) scanning between 25 nm and 850 nm, thus, including the entire Aitken mode in the residual size analysis. Cloud studies on the Puy de Dome, France, revealed residual particle sizes including Aitken mode (diameter D 100 nm). A major feature of the CVI data is expressed by the fact that despite incomplete incorporation of accumulation mode particles in cloud elements there are contributions of particles with diameters smaller than 0.1 μm to the number of residual particles. Cloud entrainment from height levels above the maximum supersaturation as wells as the size-dependent chemical composition of the aerosol population most likely produced the S-shaped size-dependent partitioning of residual particles. Compared to earlier studies the 50% partitioning diameters dropped significantly below 100 nm to roughly 70 nm.

In situ measurements of ice saturation in young contrails

Relative humidity with respect to ice (RHi) is a major factor controlling the evolution of aircraft contrails. High-resolution airborne H2O measurements in and near contrails were made at a rate of 4.2 Hz using the novel water vapor mass spectrometer AIMS-H2O with in-flight calibration during the CONtrail, volcano, and Cirrus ExpeRimenT (CONCERT) 2011. Three 2 min old contrails were sampled near 11 km altitude. Independent of the ambient supersaturation or subsaturation over ice, the mean of the RHi frequency distribution within each contrail is shifted toward ice saturation. This shift can be explained by the high ice surface area densities with corresponding RHi relaxation times on the order of 20 s, which lead to the fast equilibration of H2O between the vapor and ice phase. Understanding the interaction of water vapor with ice particles is essential to investigate the life cycle of contrails and cirrus.

The Dynamics–Aerosol–Chemistry–Cloud Interactions in West Africa Field Campaign: Overview and Research Highlights

Unprecedented ground-based and aircraft measurements in June-July 2016 in southern West Africa characterize atmospheric composition and dynamics, low-level cloud properties, the diurnal cycle, and air pollution impacts on health. The EU-funded project DACCIWA (Dynamics-Aerosol-Chemistry-Cloud Interactions in West Africa) investigates the relationship between weather, climate, and air pollution in southern West Africa, an area with rapid population growth, urbanisation, and increase in anthropogenic aerosol emissions. The air over this region contains a unique mixture of natural and anthropogenic gases, liquid droplets and particles, emitted in an environment, in which multi-layer clouds frequently form. These exert a large influence on the local weather and climate, mainly due to their impact on radiation, the surface energy balance, and thus the diurnal cycle of the atmospheric boundary layer. In June and July 2016, DACCIWA organized a major international field campaign in Ivory Coast, Ghana, Togo, Benin, and Nigeria. Three supersites in Kumasi, Save, and Ile-Ife conducted permanent measurements and 15 Intensive observation periods. Three European aircraft together flew 50 research flights between 27 June and 16 July 2016 for a total of 155 hours. DACCIWA scientists launched weather balloons several times a day across the region (772 in total), measured urban emissions, and evaluated health data. The main objective was to build robust statistics of atmospheric composition, dynamics, and low-level cloud properties in various chemical landscapes to investigate their mutual interactions. This article presents an overview of the DACCIWA field campaign activities as well as some first research highlights. The rich data obtained during the campaign will be made available to the scientific community and help to advance scientific understanding, modeling, and monitoring the atmosphere over southern West Africa.

Ice Crystal Sizes in High Ice Water Content Clouds. Part II: Statistics of Mass Diameter Percentiles in Tropical Convection Observed during the HAIC/HIWC Project

High ice water content (IWC) regions in Mesoscale Convective Systems (MCS) are a potential threat to commercial aviation as they are suspected to cause in-service engine power-loss events and air data probe malfunctions. To investigate this, the High Altitude Ice Crystals (HAIC) / High Ice Water Content (HIWC) projects set up a first field campaign in Darwin (Australia) in 2014. The airborne instrumentation was selected to provide the most accurate measurements of both the bulk total water content (TWC), using a specially developed isokinetic evaporator, and the individual ice crystals properties using particle imaging probes. This study focuses on determining the size ranges of ice crystals responsible for the mass in high IWC regions, defined here as cloud regions with IWC greater than 1.5gm -3 . It is shown that for high IWC areas in most of the encountered MCS systems, median mass diameters (MMDs) of ice crystals range from 250 to 500μm and decrease with increasing TWC and decreasing temperature. At the same time, the mass contribution of the smallest crystals (below 100μm) remains generally low (below 15%). In contrast, data from two flight missions in a long-lasting quasi-stationary tropical storm reveal that high IWC values can also be associated with MMDs in the range 400-800 μm and peak values of up to 2mm. Ice crystal images suggest a major growth contribution by vapor deposition (columns, capped columns) even for such larger MMDs values.

Ice Crystal Sizes in High Ice Water Content Clouds. Part I: On the Computation of Median Mass Diameter from In Situ Measurements

AbstractEngine and air data probe manufacturers, as well as aviation agencies, are interested in better characterization of high ice water content (HIWC) areas close to thunderstorms, since HIWC conditions are suspected to cause in-service engine power loss and air data events on commercial aircraft. In this context, a collaborative field campaign has been conducted by high-altitude ice crystals (HAIC) and HIWC projects in order to provide ice water content and median mass diameter (MMD) of ice crystals in the HIWC environment.The computation of MMD from in situ measurements relies mainly on the definition of the crystal dimension D and on the relationship, which is used to convert number into mass distributions. The first part of this study shows that MMD can significantly deviate when using different mass–size relationships from the literature. Sensitivity tests demonstrate that MMD is significantly impacted by the choice of β. However, the larger contributor to MMD differences seems to be the choice of...

HAIC/HIWC Field Campaign - Specific Findings on PSD Microphysics in High IWC Regions from In Situ Measurements: Median Mass Diameters, Particle Size Distribution Characteristics and Ice Crystal Shapes

Despite past research programs focusing on tropical convection, the explicit studies of high ice water content (IWC) regions in Mesoscale Convective Systems (MCS) are rare, although high IWC conditions are potentially encountered by commercial aircraft during multiple in-service engine powerloss and airdata probe events. To gather quantitative data in high IWC regions, a multi-year international HAIC/HIWC (High Altitude Ice Crystals / High Ice Water Content) field project has been designed including a first field campaign conducted out of Darwin (Australia) in 2014. The airborne instrumentation included a new reference bulk water content measurement probe and optical array probes (OAP) recording 2D images of encountered ice crystals. The study herein focuses on ice crystal size properties in high IWC regions, analyzing in detail the 2D image data from the particle measuring probes. Various geometrical parameters were extracted from the images in order to calculate particle size distributions (PSDs) and finally deduce median mass diameters with additional information on the ice density. The preliminary analysis of all HAIC/HIWC flights performed during this first flight campaign out of Darwin, demonstrates that various flights include high IWC regions mostly produced by high concentrations of small crystals while other flights with similar peak IWCs indicates that high IWC regions could be nevertheless composed primarily of larger particles. This interesting result indicates that high IWC can be produced and maintained in various environments, preferentially high concentrations of small crystals, however sometimes by smaller concentrations of larger sized crystal populations.

The Measured Relationship between Ice Water Content and Cloud Radar Reflectivity in Tropical Convective clouds.

In this paper we use unprecedented bulk measurements of ice water content (IWC) up to approximately 5 gm-3 and 95 GHz radar reflectivities (Z95) to analyze the statistical relationship between these two quantities and its variability. The unique aspect of this study is that these IWC – Z95 relationships do not use assumptions on cloud microphysics or backscattering calculations. IWCs greater than 2 gm-3 are also included for the first time in such analysis, owing to improved bulk IWC probe technology and a flight program targeting high ice water content. Using a single IWC – Z95 relationship allows for the retrieval of IWC from radar reflectivities with less than 30% bias and 40-70% rms difference. These errors can be reduced further down to 10-20% bias over the whole IWC range using the temperature variability of this relationship. IWC errors largely increase for Z95> 15-16 dBZ, due to the distortion of the IWC – Z95 relationship by non-Rayleigh scattering effects. A non-linear relationship is proposed to reduce these errors down to 20% bias and 20-35% rms differences. This non-linear relationship also outperforms the temperature-dependent IWC – Z95 relationship for convective profiles. The joint frequency distribution of IWC and temperature within and around deep tropical convective cores shows that at the -50°C ± 5°C level – the cruise altitude of many commercial jet aircraft – IWCs greater than 1.5 gm-3 were found exclusively in convective profiles.

An Inverse Problem Approach for the Retrieval of Ice Particle Mass from In Situ Measurements

AbstractMass–dimensional relationships have been published for decades to characterize the microphysical properties of ice cloud particles. Classical retrieval methods employ a simplifying assumption that restricts the form of the mass–dimensional relationship to a power law, an assumption that was proved inaccurate in recent studies. In this paper, a nonstandard approach that leverages optimal use of in situ measurements to remove the power-law constraint is presented. A model formulated as a linear system of equations relating ice particle mass to particle size distribution (PSD) and ice water content (IWC) is established, and the mass retrieval process consists of solving the inverse problem with numerical optimization algorithms. First, the method is applied to a synthetic crystal dataset in order to validate the selected algorithms and to tune the regularization strategy. Subsequently, the method is applied to in situ measurements collected during the High Altitude Ice Crystal–High Ice Water Content ...

Safire: des avions au service de la recherche en environnement

SAFIRE: aircraft for environmental research With its Safire fleet, France manages a public research infrastructure that supplies the scientific community with three aircraft for altitude measurements. A wide variety of instruments can be installed on the aircraft, either inside the cabin or on the fuselage or under the wings, according to the physico-chemical parameters of the atmosphere or the Earth’s surface to be investigated.After a review of the facilities, the organization of SAFIRE and the management of experimental campaigns, we give an introduction to airborne operations, instrumentation and data processing. Finally two examples of experimental campaigns are described. L e Service des avions français instrumentés pour la recherche en environnement (Safire) est une unité mixte de service du CNRS, de Météo-France et du Cnes : chercheurs et ingénieurs en sont les usagers pour mener à bien les expériences nécessitant des mesures aéroportées in situ ou par télédétection. En France, plusieurs dizaines de laboratoires sont concernés par l’expérimentation scientif ique aéroportée1. Nombre d’entre eux se reposent entièrement sur Safire pour les vols comme pour le processus d’installation instrumentale. Mais certains ont acheté ou conçu et développé en interne leurs propres instruments pour répondre à des besoins spécif iques. Ils ont ensuite recours à des prestataires, privés ou publics, dont Safire. Les principaux thèmes des expérimentations portent sur l’observation atmosphérique, océanographique et des surfaces continentales, la recherche et le développement aéronautique et le soutien aux missions spatiales. De fait, Saf ire occupe une place particulière dans le paysage de la recherche aéroportée, avec ses trois avions ainsi qu’une large gamme d’instruments scientif iques. Cette infrastructure de recherche publique française est de portée internationale. Tout chercheur français ayant un projet de recherche peut mettre à contribution Safire pour le réaliser sous réserve de le faire valider par le Comité scientifique et technique avions (CSTA) et de rassembler le financement nécessaire pour en couvrir les coûts. Une unité mixte de service En tant qu’unité mixte de services, Saf ire est gouverné par un comité de direction constitué de représentants du Cnes, de Météo-France et du CNRS (plus particulièrement de l’Insu, Institut national de sciences de l’Univers). Le comité prend l’avis de la communauté des chercheurs au travers du CSTA, composé d’experts et de représentants des principaux laboratoires utilisateurs de Safire. Les tutelles financent le fonctionnement courant de l’unité. Une autre part, substantielle, des ressources de Safire provient des laboratoires ou organismes utilisateurs de ses services, en particulier via des projets financés par l’Agence nationale de la recherche, la Commission européenne ou encore des agences gouvernementales qui soutiennent souvent les utilisateurs de Safire. Les agents de Safire, issus du CNRS et de Météo-France, sont majoritairement des ingénieurs ou des techniciens, spécialistes de techniques de mesures aéroportées. Des pilotes professionnels, des mécaniciens aéronautiques et du personnel support complètent le dispositif. La base de safire est située sur l’aéroport de Toulouse-Francazal (figure 1). 1. Enquête effectuée en 2014 auprès de plus de 200 laboratoires par le CSTA. Figure 1. Locaux de Francazal. 31 La Météorologie n° 93 mai 2016 Les avions de Safire L’ATR 42 est un bi-turbopropulseur qui peut voler jusqu’à 8 000 mètres d’altitude. En raison de sa taille imposante d’avion commercial, avec une capacité d’emport de 2,5 tonnes de matériel, il permet à plusieurs laboratoires de collaborer en utilisant leurs propres instruments lors de vols mutualisés (encadré 1). À l’origine biréacteur d’affaires, le Falcon 20 explore de plus hautes altitudes avec un plafond de 12 000 m. Sa vitesse de croisière au moment de la mesure est de 200 m/s, soit deux fois plus élevée que celle de l’ATR : cela en fait l’avion le plus rapide de la flotte. Le Piper Aztec, vétéran de la flotte avec 40 ans de service, est un petit bimoteur particulièrement adapté aux mesures en basses couches. Ses caractéristiques lui permettent de faire des tests à bas coût et de voler là où des avions plus gros ne peuvent pas aller. Il a ainsi pu effectuer des survols d’agglomérations à basse altitude qui auraient été interdits à des avions plus volumineux. Une vocation internationale dans une structure européenne Avec ses trois avions, Safire représente une des plus grosses flottes européennes dédiées à la recherche. Un tel dispositif reste un atout majeur pour soutenir la compétitivité des équipes françaises et garantir leur participation aux grandes campagnes internationales de mesure. Naturellement au service des chercheurs de notre pays, Safire fait aussi voler des scientifiques de toute nationalité sur tous les continents. En parallèle, la recherche aéroportée bénéficie de la complémentarité des vecteurs européens réunis au sein du consortium Eufar (European fleet for airborne research). Cette « initiative d’infrastructure intégrée (I3) » européenne permet notamment à tous les scientif iques européens, qu’ils disposent ou non d’un outil national, de bénéf icier de vols scientif iques f inancés. Saf ire a réalisé plusieurs dizaines d’heures de vol dans ce cadre et, sous l’impulsion de ses tutelles, joue un rôle moteur dans ce mouvement européen. Très prochainement, Eufar devrait se consolider en une fédération d’unités nationales au moyen d’une entité juridique commune. Une grande variété de thèmes de recherche Compte tenu de son histoire (encadré 2) et de ses liens forts avec Météo-France, il est naturel que le principal thème des recherches impliquant Safire porte sur l’observation de l’atmosphère. Les enjeux scientif iques autour de la météorologie et du climat nécessitent toujours plus d’observations des interactions entre dynamique, nuages, aérosols, chimie et rayonnement. L’avion reste un outil indispensable par son aptitude à pénétrer dans les phénomènes atmosphériques que les chercheurs souhaitent étudier. Les mesures in situ effectuées à partir d’avions de recherche classiques concernent essentiellement la troposphère, où l’on peut approcher la plupart des phénomènesmétéorologiques que ce soit dans la couche limite ou au sommet des nuages convectifs. La 1. La flotte de Safire 32 La Météorologie n° 93 mai 2016 Un autre grand axe d’utilisation de la mesure aéroportée est l’observation des surfaces (océan, surfaces continentales ou Terre solide), qui recoupe des recherches sur le climat, mais aussi sur la végétation, la sismologie, le volcanisme... Parmi les outils pour lesquels la demande progresse fortement, on peut citer l’imagerie. Ainsi), des caméras hyperspectrales sont testées et utilisées dans les avions de Safire par des chercheurs en sciences des surfaces continentales en collaboration étroite avec l’Onera (Office national d’études et de recherche aérospatiale). L’observation spatiale joue un rôle prépondérant dans tous ces domaines, et les avions de Safire contribuent à son développement au travers notamment de la mise en œuvre de « démonstrateurs » aéroportés, ce qui est une des raisons pour lesquelles le Cnes est cotutelle de l’unité. Ces moyens aériens sont utilisables par toutes les communautés de recherche. La créativité des chercheurs a d’ailleurs permis de mettre en œuvre des projets « exotiques », à l’intersection entre plusieurs disciplines. Ainsi, pendant la campagne Draconides2, le Falcon 20 s’est déplacé jusqu’à Kiruna pour traquer et photographier une pluie de météorites. Une structure de travail aérien dédiée à la recherche La flotte de Saf ire est composée d’avions qui ont été profondément modifiés pour les adapter aux besoins de la recherche. Leurs structures (fuselage et ailes) sont percées ou couvertes de hublots, trappes, pylônes-supports de capteurs et autres veines de prélèvement (figure 2) ; un réseau de distribution électrique et de mesure a été installé et l’aménagement de la cabine lui-même a peu de choses à voir avec le type original de l’avion. En raison du volume important occupé par les appareils de mesure ou de calcul, seulement neuf sièges sont disponibles en cabine dans l’ATR 42 – au lieu de la cinquantaine prévue dans la conf iguration de transport de passagers –, quatre dans le Falcon 20 et deux dans le Piper Aztec. Ils sont réservés aux expérimentateurs navigants de Safire et aux scientifiques qui analysent les données pendant le vol, interviennent si besoin sur les instruments et modif ient Les historiens rapportent que, dès ses balbutiements, la conquête de l’air par les avions a donné lieu à des expériences physiques sur l’atmosphère, tout comme les techniques d’exploration par cerf-volant et ballon-sonde qui ont contribué à la naissance de la météorologie moderne. Néanmoins, il faut attendre la mise au point d’avions légers et fiables pour que le Service météorologique français, l’ONM (Office national météorologique), se dote en 1936 et à l’initiative de l’ingénieur René Eyraud d’un motoplaneur (photo 2) et dont le devis sur papier pelure est pieusement conservé dans les archives de Safire... Les reconnaissances météorologiques aériennes effectuées pendant la deuxième guerre mondiale ont fait gagner du galon aux avions de recherche : à partir de 1947, le CAEM (Centre aérien d’études météorologiques), ancêtre de Safire, et la SASM (Section d’avions de sondages météorologiques), unité militaire exploitant des aéronefs, collaborent en mêlant ingénieurs civils et moyens militaires. À la fin des années 1960, la recherche amorce une nouvelle phase en se dotant de moyens aéroportés en propre. L’objectif est de mettre en place des méthodes éprouvées afin d’étudier l’atmosphère et les surfaces océaniques ou continentales à partir d’avions, en complément des données au sol. Basé dans les installations du Centre d’essais en vol (CEV) de Brétignysur-Orge, l’é