1. NARVAL ( North Atlantic Rainfall VALidation) 2. Ziele - HALO - DLR
1. NARVAL ( North Atlantic Rainfall VALidation) 2. Ziele - HALO - DLR
1. NARVAL ( North Atlantic Rainfall VALidation) 2. Ziele - HALO - DLR
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Projektskizze für <strong>HALO</strong> aus dem Bereich Konvektion und Dynamik<br />
Bisherige Bezeichnung:<br />
„The Water Budget of <strong>North</strong> <strong>Atlantic</strong> Cyclones“, vorgeschlagen in der HUNT Initiative im<br />
Bereich 5, Clouds and Precipitation sowie auf dem <strong>DLR</strong> <strong>HALO</strong> Workshop März 2005.<br />
<strong>1.</strong> <strong>NARVAL</strong> ( <strong>North</strong> <strong>Atlantic</strong> <strong>Rainfall</strong> <strong>VALidation</strong>)<br />
<strong>2.</strong> <strong>Ziele</strong><br />
C. Klepp 2 , S. Bakan 1 , L. Hirsch 1 , G. Peters 2<br />
1 Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg<br />
2 Meteorologisches Institut, Universität Hamburg<br />
Beschrieben wird die geplante Feldkampagne zur Validierung von konvektiven<br />
Mesoskalaniederschlägen auf der Rückseiten nordatlantischer Tiefdruckgebiete im<br />
Ausstromgebiet der Labradorsee. Zur Durchführung wird das neue Forschungsflugzeug <strong>HALO</strong><br />
genutzt. Das Hauptvorhaben sowie die dafür benötigten Flüge wurden bereits als Demo-Mission<br />
für <strong>HALO</strong> akzeptiert. Der vorgesehene Zeitraum umfasst den Januar und Februar 201<strong>1.</strong> Eine<br />
weitere Flugmission mit identischer Instrumentierung im überlappenden Zeitraum Januar bis Mai<br />
2011 zur Untersuchung von Konvektionsstrukturen in der winterlichen Passatregion wird in einem<br />
separatem Dokument beschrieben (Björn Stevens).<br />
Die Hauptmotivation für die hier vorgeschlagene Mission ergibt sich aus einem offensichtlichen<br />
Defizit sowohl von Satellitendatenanalysen als auch von Wettervorhersagemodellen, bestimmte<br />
kleinräumige aber intensive Niederschlagsanomalien in Nordatlantischen Zyklonen geeignet zu<br />
erfassen. In der Folge werden die daraus resultierenden Wetterphänomene mit gelegentlich sehr<br />
starker Wirksamkeit über Europa oft nicht richtig vorhergesagt. Das folgt aus Untersuchungen<br />
über die Niederschlagsverteilung im Bereich des Nordatlantischen Stormtracks auf Basis eines in<br />
Hamburg entwickelten Satelliten-Datensatzes HOAPS (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters<br />
and Fluxes from Satellite data; http://www.hoaps.org; Andersson et al., 2009) im Rahmen des<br />
SFB 512 zum Thema "Tiefdruckgebiete und Klimasystem des Nordatlantiks".<br />
Intensive Niederschläge in nordatlantischen Tiefdruckgebieten existieren, vor allem im Winterhalbjahr,<br />
nicht nur in den Fronten sondern auch innerhalb der Kaltluftausbrüche auf der Rückseite<br />
der Kaltfronten. Hier entstehen häufig stark konvektiv geprägte mesoskalige Tiefdruckgebiete<br />
(PFL – Post Frontal Low) die innerhalb weniger Stunden zu intensiven Wettererscheinungen heranwachsen<br />
können. Diese erreichen zum Teil auch den europäischen Kontinent und können dort<br />
zu Orkanen mit Starkregen führen. Die Aufgabe der numerischen Wettervorhersage ist somit, neben<br />
der Erfassung der großskaligen Tiefdruckgebiete, auch diese kleinräumigen wetterintensiven<br />
Störungen zu erfassen und korrekt vorherzusagen. Während ersteres inzwischen zufrieden stellend<br />
gelingt, sind die Modellerfassung und Vorhersage von PFL’s nach wie vor problematisch.<br />
Ein umfangreicher Datensatz von Schiffswetterbeobachtungen (VOS) zur Validierung von Niederschlägen<br />
wurde während der FASTEX Feldkampagne im Februar 1997 von Forschungs- und<br />
Handelsschiffen (VOS) gewonnen. Hierbei standen vor allem auch Daten in Regionen zur Verfügung,<br />
die einerseits sonst nur selten von Schiffen befahren werden und die anderseits häufig PFL`s<br />
aufweisen. Für diesen Zeitraum konnten solche Niederschlagsereignisse untersucht und mit Daten<br />
des EZMW (Europäisches Zentrum für Mittelfristvorhersage) und der Satellitenklimatologie HO-<br />
APS (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and Fluxes from Satellite data) verglichen werden.<br />
Vorausgehende Studien im SFB 512 (Klepp et al., 2003) belegen, dass die Niederschlagsmuster<br />
und –Intensitäten der HOAPS Klimatologie (im Gegensatz zu anderen bekannten Niederschlags-
algorithmen) in guter Übereinstimmung mit den beobachteten Niederschlägen der VOS Daten<br />
sind.<br />
Die Ergebnisse zeigen zudem, dass das EZMW Modell frontale Niederschlagsstrukturen und –<br />
Intensitäten, in Übereinstimmung mit den VOS und HOAPS Daten, recht zuverlässig erfasst. Dagegen<br />
fehlen die beobachteten mesoskaligen PFL Niederschläge zumeist. Aus den Schiffsdaten<br />
folgt, dass der beobachtete Bodendruck in der Nähe der starken Niederschläge systematisch bis zu<br />
16 hPa niedriger als in der weiteren Umgebung ist. Dadurch und durch die Form der Bewölkung<br />
in Satellitenbildern liegt die Vermutung nahe, dass man es hier mit sehr kleinräumigen aber intensiven<br />
Tiefdruckwirbeln zu tun hat. Vom EZMW-Model werden diese kleinräumigen Druckanomalien<br />
aber häufig nicht erfasst und daher die zugehörigen mesoskaligen Wirbelstrukturen auch nicht<br />
geeignet in die Vorhersage einbezogen. Dies führt zu der Vermutung, dass der fehlende Modellniederschlag<br />
im Gebiet der PFLs primär eine Folge des nicht vorhandenen lokalen Tiefdrucks sein<br />
kann (Klepp et al., 2005). Warum die Beobachtungsdaten offenbar nicht in die Modellanalyse<br />
eingehen, ist unklar, dürfte aber mit der routinemäßigen Plausibilitätskontrolle für Schiffsdaten<br />
zusammen hängen, die für die vorliegenden Fälle zu restriktiv ist.<br />
Durch die vorgeschlagene Demomission soll ein Beitrag zur Beantwortung folgender Fragen<br />
geleistet werden:<br />
– Wie hoch ist die in-situ gemessene Niederschlagsrate in den verschiedenen Bereichen<br />
atlantischer Zyklonen und wie ist sie räumlich verteilt ?<br />
– Können die in HOAPS – jedoch nicht in anderen Datensätzen und Analysen - beobachteten<br />
postfrontalen Niederschlagsgebiete in der Kaltluft westlich von Kaltfronten, deren<br />
Niederschlag einen substantiellen Anteil des Gesamtniederschlages aus nordatlantischen<br />
Zyklonen ausmacht, durch hochauflösende Radarmessungen verifiziert werden?<br />
– Handelt es sich bei den im HOAPS-Datensatz analysierten und von Schiffsbeobachtungen<br />
nahegelegten intensiven PFL-Niederschlägen um mesoskalige Cluster mit vielen einzelnen<br />
intensiven Schauerereignissen oder um bis zu 500 km durchmessende homogene<br />
Starkniederschlagsereignisse? Diese Frage kann wegen der mangelnden räumlichen<br />
Auflösung nicht durch Satelliten und wegen der mangelnden räumlich Abdeckung auch<br />
nicht durch Punktmessung der Schiffe beantwortet werden.<br />
– Hochaufgelöste AVHRR Satellitenbilder (bis zu <strong>1.</strong>1 km) lassen auf frontale Strukturen<br />
(wie z.B. Kaltfronten von 100 km Länge) in diesen Clustern schliessen. Detaillierte<br />
Beobachtungen sind zum besseren Prozessverständnis nötig.<br />
– Was muss an den NWP Modellketten verbessert werden, um die Diskrepanzen zu<br />
beseitigen und die rechtzeitigeVorhersagbarkeit solcher Ereignisse zu gewährleisten ?<br />
– Wodurch sind lokalisierte Niederschlagsereignisse über dem Nordatlantik gekennzeichnet,<br />
die im Verlauf Ihres weiteren Verlaufs zu Extremwetterereignissen über Europa führen<br />
können? (Dynamik, Dry Intrusion)<br />
Andersson, A., C. Klepp, S. Bakan, K. Fennig, J., and J. Schulz, 2009: The HOAPS climatology<br />
of essential water cycle parameters. Submitted to BAMS.<br />
Klepp, C., S. Bakan, and H. Graßl, 2003: Improvements of satellite derived cyclonic rainfall over<br />
the <strong>North</strong> <strong>Atlantic</strong>. J. of Climate, 16, 657-669.<br />
Klepp, C., S. Bakan, and H. Graßl, 2005: Missing <strong>North</strong> <strong>Atlantic</strong> Cyclonic Precipitation<br />
in the ECMWF Model detected through HOAPS II. Met. Z., Vol. 14, No. 6, 809-82<strong>1.</strong>
3. Kriterien für <strong>HALO</strong> Demomission<br />
Das Projekt eignet sich für eine Demomission, da es sowohl von weitreichender wissenschaftlicher<br />
Bedeutung<br />
– Schließung des globalen Wasserkreislaufs, Einfluß des Frischwassers (bis zu 1 Sv) auf die<br />
THC mit entsprechenden Konsequenzen für die Klimamodellierung<br />
als auch von wirtschaftlichem/gesellschaftlichem Interesse ist<br />
– Verbesserung der Vorhersagbarkeit von Extremwetter-Ereignissen in Europa.<br />
<strong>HALO</strong> ist (neben HIAPER) der einzige Messgeräteträger, mit dem dieses Vorhaben erfolgreich<br />
durchgeführt werden kann. Das ausgedehnte Messgebiet muss in einer Zeit, die kurz gegen die<br />
Zyklonen-Lebensdauer ist, abgedeckt werden. Hierfür kommen grundsätzlich nur Flugzeuge in<br />
Frage. Mit vorhandenen Forschungsflugzeugen ist das ausgedehnte Messgebiet über dem freien<br />
Atlantik jedoch nicht erreichbar.<br />
Es gibt zur Zeit nach unserem Wissen kein konkurrierendes Projekt – etwa für HIAPER, das sich<br />
mit dieser Frage befasst.<br />
4. Vorgesehene Instrumente/Personal<br />
Die Wolken und Niederschlagsdaten sollen im Wesentlichen durch aktive und passive Mikrometerwellen-Fernerkundung<br />
gewonnen werden. Das Kerninstrument ist ein 36 GHz Wolkenradar,<br />
das durch Radiometer in den Frequenzbereichen 19, 35 und 85 GHz ergänzt wird. Diese Konfiguration<br />
wurde als HAMP (HAlo Microwave Package) der MPG sowie der Universität Hamburg zur<br />
Beschaffung für <strong>HALO</strong> vorgeschlagen.<br />
Die Instrumentierung ist vollständig vorhanden. Die Anpassung für den Flugzeugeinbau ist beauftragt,<br />
die Zertifizierung ist angelaufen und die notwendigen Erprobungen in Vorbereitung. Für die<br />
außerhalb der Druckkabine anzubringenden Radarantenne ist ein so genannter Belly Pod erforderlich.<br />
Diese Konstruktion wird vom <strong>DLR</strong> in enger Absprache mit den Nutzern vorangetrieben. Am<br />
3. Mai 2005 fand am IAP des <strong>DLR</strong> ein Workshop statt, auf dem die Konfiguration der darin unterzubringenden<br />
Geräte festgelegt und das weitere Vorgehen verabredet wurde.<br />
Radiometers<br />
100 kg total<br />
Radar Antenna<br />
Radar Antenna<br />
Abb. 1: Querschnitte durch Rumpf und Belly Pod. Links: Radiometer, Rechts: Wolkenradarantenne<br />
(Nach A. Giez, Cloudradar Workshop 3.5.2005)
Abb. 2: Querschnitt durch Rumpf und Belly Pod. Radar Antenne und Radar-Elektronik.<br />
(Nach A. Giez, Cloudradar Workshop 3.5.2005)<br />
Massen:<br />
Radar Antenne 40 kg<br />
Radar Elektronik 90 kg<br />
Radiometer 100 kg (Summe)<br />
Datenaquisition 20 kg + ¼ Rack<br />
Die Überprüfung des störungsfreien Zusammenspiels der HAMP Gesamtinstrumentierung ist in<br />
einem Messanhänger des MPI in Hamburg in Vorbereitung.<br />
Personal: 2 Wissenschaftler für das HAMP-Kernprogramm<br />
Im Interesse einer möglichst vollständigen Beschreibung des Wolkenszenarios sowie der Thermodynamik<br />
werden simultane Lidarmessungen sowie Strahlungsflussmessungen im optischen Bereich<br />
sowie nahen und fernen Infrarot angestrebt. Eine weitere wertvolle Ergänzung wären Drop-<br />
Sonden zur Validierung der Fernerkundungsprodukte. Potentielle Partner, die dieses ergänzende<br />
Instrumentarium oder Teile hiervon in das vorgesehene Messprogramm ggf. mit eigener Zielsetzung<br />
einbringen würden, sind willkommen. Entsprechende Abstimmungen stehen jedoch noch<br />
aus.<br />
5. Zeitplan<br />
Die Analyse der 18jährigen Klimatologie HOAPS zeigt, dass sich der Zeitraum der intensivsten<br />
Niederschläge im Stromtrack des Nordatlantiks auf die Wintermonate Dezember, Januar und Februar<br />
konzentriert. In diesen drei Monaten ist die Wahrscheinlichkeit für das zusätzliche Auftreten<br />
von PFL`s groß. Solch wetterintensive Mesozyklonen entstehen durchschnittlich alle drei Tage,<br />
wenn die Großwetterlage großräumige, schnellziehende Tiefdruckgebiete zulässt. Dann entstehen<br />
diese PFL`s auf der Rückseite der Muttertiefs in der Kaltluft die mit bis zu –40°C vom kanadischen<br />
Kontinent herabströmt. Diese sehr kalte Luft trifft südlich der Labradorsee auf das vergleichsweise<br />
sehr warme Golfstromwasser vor Neufundland. In dieser Region bestehen die stärk-
sten horizontalen SST Gradienten überhaupt. Daher ist diese Region bei etwa 320°W und 50°N<br />
prädestiniert für die Entstehung von PFL`s die im weiteren Verlauf auch das europäische Festland<br />
erreichen und zu teilweise erheblichen Schäden führen können.<br />
Kriterium für Flugbedingung:<br />
Die Entscheidung für Messflüge kann auf Grund der kombinierten Information aus der NWP Modellvorhersagekette<br />
und den GOES-E und AVHRR Satellitenbildern getroffen werden. Dazu ist<br />
einerseits die Analyse der großen steuernden Tiefdruckgebiete vor der Ostküste der USA nötig als<br />
auch die in den Kaltluftausbrüchen vorhandenen Vorläuferwolkenstrukturen, bzw. eingelagerte<br />
Störungen, die häufig im weiteren Verlauf innerhalb von sechs Stunden zu PFL`s werden können.<br />
Wie oft voraussichtlich erfüllt:<br />
Die HOAPS Klimatologie zeigt, dass im DJF Zeitraum bei Kaltluftausbruchsituationen etwa alle<br />
drei Tage PFL Situationen auftreten können. Eine detaillierte Analyse der PFL Häufigkeiten der<br />
letzten 18 Jahre ist derzeit in Arbeit. Diese belegt zwar, dass die Wiederholrate hoch ist, allerdings<br />
ist die Vorwarnzeit für eine relativ sichere Einsatzentscheidung von sechs Stunden recht kurz.<br />
6. Messstrategie<br />
6.<strong>1.</strong> Region<br />
Die Position und Orientierung des Messgebiets im Nordatlantik wird auf Grund aktueller Analysen<br />
vor Abflug in Oberpfaffenhofen festgelegt. Die Kantenlänge beträgt typisch 500 km. Wegen<br />
der z.T. schnellen Bewegung solcher Gebiete müssen die exakten Operationskoordinaten auf<br />
Grund von aktueller Satelliteninformation ggf. noch während des Anfluges geringfügig angepasst<br />
werden.<br />
Es wäre sinnvoll, die Flugzeugmessungen am Boden durch Schiffe des THORPEX Experimentes<br />
und Driftbojen mit Regenmessern zu unterstützen. Eine entsprechende Koordinierung mit der<br />
THORPEX Community wird angestrebt.<br />
6.<strong>2.</strong> Vorgesehene Flugmuster<br />
Das vorgesehene Flugmuster ist weitgehend dadurch bestimmt, dass die Untersuchung als Fernerkundungsmission<br />
von oberhalb des interessierenden Wolkengebietes durchgeführt werden soll.<br />
Wegen des großen Abstandes des Messgebietes von der <strong>HALO</strong>-Basis in Oberpfaffenhofen wird<br />
ein Messflug in zwei Teilen mit einer Zwischenlandung in Nordamerika oder Grönland vorgeschlagen.<br />
Das ostwärts driftende Messgebiet ist in Abb. 3 (oben und Mitte) angedeutet. Die gewünschten<br />
Flughöhen sind im unteren Teil dargestellt. Typischerweise sind in der Polarluft konvektive Wolken<br />
auf 3 bis 5 km Höhe beschränkt, so dass eine Flughöhe von 6 km ausreichend sein dürfte.<br />
Hochreichender Cirrus ist bei solchen Wetterlagen aufgrund absinkender Luft (dry Intrusion) selten<br />
anzutreffen. Der Anflug ins Messgebiet führt dagegen zwangsläufig durch das Muttertief auf<br />
dem Nordatlantik, welches in maximaler Flughöhe messend überflogen werden soll.<br />
Das Flugmuster („Matratze“ maximal möglicher Länge) im Messgebiet soll sowohl auf dem Hin-<br />
als auch auf dem Rückweg absolviert werden. Durch die Flüge an jeweils zwei aufeinander folgenden<br />
Tagen ergibt sich die Chance, sowohl die Keime als auch das Reifestadium der PFLs zu<br />
untersuchen.
Abb. 3: Oben und Mitte: Hin- und Rückflug, sowie Flugmuster im Messgebiet. Unten: Messhöhen<br />
beim An- und Abflug sowie im Messgebiet.<br />
6.3. Einsatzplanung und externe Partner<br />
Die <strong>HALO</strong>-Basis kann während der Kampagne in Oberpfaffenhofen verbleiben.<br />
Es sind zwei Hin- und Rückflüge innerhalb einer Bereitschaftszeit von maximal 6 Wochen geplant<br />
im Zeitraum Januar und Februar 201<strong>1.</strong> Anflüge zum Messgebiet könnten bei absehbar falscher<br />
Prognose noch abgebrochen werden. Denkbar wäre auch eine Stationierung des Flugzeuges bei<br />
geeigneten Großwetterlagenbedingungen z.B. nach Goose Bay. Von dort aus könnten die PFL’s<br />
mit kurzer Reaktionszeit aus effektiv überflogen werden. Insgesamt werden 50 Flugstunden jedoch<br />
nicht überschritten.<br />
Das Projekt steht in enger Zusammenarbeit mit der Universität Köln (S. Crewell) und dem Max-<br />
Planck Institut für Meteorologie (B. Stevens). Eine Kooperation mit der Wolkenradar Arbeitsgruppe<br />
des <strong>DLR</strong> (U. Schumann) zur Einbindung des DIAL ist angestrebt.
<strong>NARVAL</strong>: Flights in support of the Aerosols, Clouds,<br />
Precipitation and Climate: Barbados Field Study<br />
Bjorn Stevens<br />
Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg Germany<br />
December 19, 2008<br />
Figure 1: Shallow precipitating cumulus cloud as observed during the Rain in Cumulus Over the Ocean<br />
Field Study (Rauber et al., 2007). Such clouds have come to iconize the role of clouds, precipitation and<br />
the aerosol in climate.<br />
Executive Summary<br />
We describe a planned field study of the structure of convection in the winter-trades. In this study we<br />
propose to incorporate flights from the new German <strong>HALO</strong> research aircraft. The requested flights are<br />
to be supported out of an allocation made available to the Max Planck Society (and in particular this PI,<br />
through the course of his starting negotiations) in the context of the <strong>NARVAL</strong> mission, and potentially<br />
as an addition to the proposed ACRIDICON measurements. The request entails a shift prolongation in<br />
the requested window for <strong>NARVAL</strong> (January to May 2011) as well as additional flights being added to<br />
the proposed ACRIDICON project. In the context of <strong>NARVAL</strong> the missions described herein compose<br />
one of two sets of missions to be flown, the other set: “Validation of convective mesoscale precipitation<br />
in <strong>North</strong> <strong>Atlantic</strong> Cyclones” by Klepp et al. is described in an accompanying document. Proposed flight<br />
plans are described, with all flights based out of the <strong>DLR</strong> facility in Oberpfaffenhofen.<br />
Background<br />
Climate science, particularly climate prediction, has been stymied by difficult and longstanding problems—<br />
mostly related to clouds. Long ago Langmuir (1948) recognized that:<br />
1
since cumulus clouds often develop rain within less than thirty minutes after their formation,<br />
we see that some mechanism other than that assumed in evaporation-condensation<br />
theory most be involved in rain formation.<br />
Langmuir’s “mechanism” turned out to be collision-coalescence, but a quantitative understanding of the<br />
factors that initiate the coalescence process remains elusive. Dating back to the work of Squires (1956)<br />
Warner and Twomey (1967) and Twomey and Wojciechowski (1969) the idea that the aerosol may be key<br />
has underlain many attempts to understand warm rain formation. Initially such connections motivated<br />
research into cloud seeding. More recently the emphasis has been on aerosol effects on climate, as<br />
a number of studies continue to suggest that the role of the aerosol in setting the precipitation rate<br />
(particularly for shallow clouds) may control cloud radiative properties as well (e.g., Albrecht, 1989;<br />
Denman et al., 2007).<br />
If only we understood clouds better—irrespective of the aerosol. Indeed, long after Langmuir, but<br />
still more than thirty years ago, (Arakawa, 1975) wrote that<br />
the modelling of time dependent clouds is perhaps the weakest aspect of the existing<br />
general circulation models and may be the most difficult task in constructing any reliable<br />
climate model.<br />
It was a prescient comment. Four years later the National Research Council published the report of the<br />
Ad Hoc Study Group on Carbon Dioxide and Climate, (otherwise known as the Charney Report Charney<br />
et al., 1979) which concluded that we<br />
cannot predict the location and intensities of regional climate change with confidence<br />
[in part because] existing parameterizations of cloud amounts in general circulation models<br />
are physically very crude . . . [and are] one of the weakest links in the general circulation<br />
modeling efforts.<br />
Through to the present day, cloud effects “remain the largest source of uncertainty” in model based estimates<br />
of climate sensitivity (IPCC, 2007), with “low clouds making the largest contribution” (Randall<br />
et al., 2007, emphasis added).<br />
This confluence of problems: Clouds, the Aerosol, Precipitation and Climate, remain among the<br />
most difficult and important problems in the field and motivate, in broad terms, our study. To elevate<br />
the empirical basis for addressing this problem, the Max-Planck-Institute for Meteorology has initiated<br />
a project to study the structure of tropical cloud regimes using a combination of long-term active remote<br />
sensing, in situ observations, and analysis of satellite observations.<br />
Objective<br />
Our specific focus will center on the question:<br />
What controls the distribution and structure of trade-wind convection?<br />
The initiative will have both a modeling and an observational component. The observational component<br />
is described herein.<br />
The specific point of focus, trade-wind convection, is motivated by a number of studies (e.g., Bony<br />
and Dufresne, 2006; Medeiros et al., 2008), which have argued that the divergent changes in cloudiness<br />
in the trade-wind regimes is the single largest contributor to divergent cloud-feedbacks in model based<br />
estimates of climate sensitivity. Likewise, rain in the trades is not necessary, as the water budget can<br />
be balanced simply by enhanced transport of dry-air to the surface. Hence many of the questions as to<br />
the possible role of the aerosol in modulating rain and cloud amount are most relevant to trade-wind<br />
cloud regimes. Further, a recent intensive period of observations, with extensive in situ and groundbased<br />
remote sensing (Rauber et al., 2007) in such a regime, provides a rich framework for longer-term,<br />
2
more statistically oriented, measurements—particularly of (non-precipitating) clouds which were poorly<br />
characterized in previous studies.<br />
Experimental Strategy<br />
Caribbean Sea<br />
Barbuda<br />
NASA A-Train<br />
<strong>Atlantic</strong> Ocean<br />
Ragged Point<br />
Grantley Adams<br />
International Airport<br />
Figure 2: Barbados, including inset map of Island showing airport (which indicates prevailing wind<br />
direction) and measurement site at Ragged point. The point marked radar site refers to the location<br />
of the CMO precipitation radar. Also indicated is the Island of Barbuda where the radar measurements<br />
during the recent RICO field study were made, and approximate location of nearest CALIOP (CALIPSO<br />
Lidar) swaths.<br />
Field work will be centered around observations to be collected at Ragged Point on the Island of<br />
Barbados. As shown in Fig. 2 the measurement site is ideally suited to sample a variety of cloud regimes,<br />
not least the downstream regime of the winter trades. In early 2010 we plan to install:<br />
• A highly sensitive scanning K-band cloud radar<br />
• A DIAL water vapor lidar<br />
• An advanced multi-channel Raman Lidar.<br />
We anticipate maintaining the instruments on this site for at least two years, thereby spanning two seasons.<br />
The instrument suite will be complemented by: (i) the University of Miami Aerosol measurement<br />
station, which has been operative for more than forty years; (ii) the AGAGE site, which measures 40<br />
trace gases; and (iii) daily soundings and S-Band Caribbean Meteorological Organization radar measurements<br />
made continuously. In addition we hope to augment our measurements with the help of a<br />
second, portable, cloud radar, and through the participation of other institutes as discussed briefly below.<br />
3<br />
Radar Site<br />
x
The long-term measurements will be complemented by in situ sampling through the use of the<br />
<strong>HALO</strong> aircraft, operated by the <strong>DLR</strong>. It is proposed that in the second year of measurements, two<br />
to four missions be flown. Each mission shall consist of 20-30 hours of flight time distributed over<br />
three legs. It is proposed that the missions be flown in the context of the <strong>NARVAL</strong> and ACRIDICON<br />
demonstration projects, as a core component of the former and as a supplement to the latter.<br />
A-Train<br />
<strong>HALO</strong><br />
In Situ Measurements<br />
2<br />
Figure 3: Sketch of proposed flight strategy, showing mean streamlines of the winter trades from<br />
ECMWF superimposed on large-scale vertical velocity. A-train orbits are shown by straight solid lines,<br />
and the dotted lines indicates a great circle between Oberpfaffenhofen and Barbados. The enumerated<br />
circles reflect in situ sampling stations at positions upwind of Barbados.<br />
The flight strategy for each <strong>HALO</strong> mission is described with the help of Fig. 3. The first, outgoing<br />
leg, will be between the <strong>HALO</strong> home base in Oberpfaffenhofen, near Munich, and Grantley Adams<br />
airport on Barbados. Our idea is for <strong>HALO</strong> to fly, at cruising altitude, along an airmass trajectory that<br />
intersects an A-Train orbit three days upwind of Barbados. At the point (marked “1” in Fig. 3) where<br />
the airmass, <strong>HALO</strong>, and the A-Train coincide <strong>HALO</strong> will descend to the near surface and commence<br />
a period of in situ measurements so as to characterize the airmass, surface fluxes and cloud properties.<br />
<strong>HALO</strong> will then proceed at altitude to Barbados where, before landing, it will again characterize airmass<br />
and cloud properties just upwind of the measurement site. The following day, time permitting, a short<br />
(2-3 hr) mission will be flown in the airmass upwind of the Island, as marked by the figure. On the<br />
third day <strong>HALO</strong> will reverse its outbound journey, this time attempting to intercept the original airmass<br />
where it again is intercepted by an A-train overpass, as indicated on the figure.<br />
Additional instrumentation, other than HAMP as was originally requested for <strong>NARVAL</strong>, include:<br />
dropsondes, if the dropsonde facility is available; microphysical sensors mounted from PMS canisters<br />
on wingpods; (iii) aerosol measurements similar to what is being requested for ACRIDCRON; and (iv)<br />
and basic state parameters, including turbulence measurements with the gust-probe and fast temperature<br />
and humidity sensors. In addition if it is possible to also fly the <strong>DLR</strong>-DIAL system during this flights<br />
such measurements would greatly complement those we already are planning to make.<br />
Ideally <strong>HALO</strong> would be flown during the period of active winter trades, which are best sampled in<br />
the time-frame between January and May 201<strong>1.</strong> This entails a slight change in the requested <strong>NARVAL</strong><br />
time-slot, with a preferred period some months later than what is currently planned. To the extent the<br />
originally planned <strong>NARVAL</strong> missions are still flown such a delay would not interfere with the originally<br />
3<br />
4<br />
1
planned <strong>NARVAL</strong> flights, as both types of missions favor winter conditions over the <strong>North</strong> <strong>Atlantic</strong>.<br />
Flight Planning and Coordination<br />
During the first year of remote sensing measurements, in 2010, we will work through the flight planning<br />
and coordination to estimate how reasonably we can predict the position of upstream air-masses three<br />
days ahead of time, and how well this positioning can be coordinated with A-Train overpasses. That<br />
is the 2010 period provides an opportunity for a year of virtual flight planning. In addition to the PI’s<br />
interest in the project, one full-time scientist and a scientific support person will be devoted full time<br />
to project planning, preparation and subsequent data analysis and integration. Current planning for the<br />
project with the MPI-M is being coordinated by Dr. Lutz Hirsch, and a PhD student has recently been<br />
invited to join the project in the context of the International Max Planck Research School. More students<br />
and post-doctoral researchers can be anticipated to join the project as it develops and grows.<br />
Synergy with ACRIDICON<br />
To the extent to which instrumentation from other missions (primarily ACRIDICON) might usefully<br />
fly as part of the <strong>NARVAL</strong> missions, and the other way around, some degree of coordination may be<br />
beneficial. In addition to the possibility of adding <strong>NARVAL</strong> flights to the ACRIDICON mission, it may<br />
well be possible to accommodate objectives from each of these missions within the other. Toward this<br />
end we have begun initial discussions with the group at Mainz and others involved in the ACRIDICON<br />
project.<br />
External Partners<br />
In addition to collaborations with the measurements groups at the University of Miami and the Caribbean<br />
Institute for Meteorology and Hydrology, we look to partner with a variety of national institutions.<br />
In particular we have been in close contact with investigators the Leipzig Institute for Tropospheric<br />
Research (Stratmann, Siebert), Karlsruhe Institute for Technology (Beheng), the University of Köln<br />
(Crewell), the Max Planck Institute for Chemistry in Mainz (Andrea, Pöschl), and at the Universities in<br />
Hamburg (Peters), Mainz and eventually Leipzig (Wendisch). We are hoping to have support for in situ<br />
analysis and measurements by collaborators in Leipzig and Mainz. The Karlsruhe group has tentatively<br />
made their state of the art cloud radar available for this study, which may make it possible to have two<br />
cloud radars for part of the observational period. Last, but certainly not least, the cloud-radar facility is<br />
partly established through the cooperation with <strong>DLR</strong> (U. Schumann) whose DIAL facility would also<br />
naturally complement the objectives of this project.<br />
References<br />
Albrecht, B. A., 1989: Aerosols, cloud microphysics and fractional cloudiness. Science, 245, 1227–<br />
1230.<br />
Arakawa, A., 1975: Modelling clouds and cloud processes for use in climate models. in GARP, number<br />
16 in series, pp. 100–120. WMO, Geneva, Switzerland.<br />
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