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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.


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


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)



4. Mesures in-situ



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)



4. Mesures in-situ



(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)


4. Mesures in-situ



MLD retrievals STRAT+ on ALS450

Plan

1. Lidar IPRAL

2. Algorithmie STRAT+ (2/2)


4. Mesures in-situ


� 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).


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


3. Réseau lidar-télémètres en Europe (1/2)

4. Mesures in-situ



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


3. Réseau lidar-télémètres en Europe (2/2)

4. Mesures in-situ



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



4. Mesures in-situ (1/3)



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






Saisonnalité des aérosols de combustion à Paris

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12

PM

(tra

fic)

, µg/

m3 Suivi des concentrations PM "trafic"

0

5

10

15

20

25

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






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



4. Mesures in-situ

5. Aérosols et brouillard (1/4)


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



4. Mesures in-situ


INTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENTINTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENT


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



4. Mesures in-situ


INTERACTION AEROSOLS – RAYONNEMENT : EAU LIQUIDE ou NON?

INTERACTION AEROSOLS – RAYONNEMENT : EAU LIQUIDE ou NON?

[Haeffelin et al., 2013]


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



4. Mesures in-situ


[Hammer et al., 2014]

les aérosols au sirta : mesures et étudeshourdin/cs_aerosols/partie1/sirta_cslmdaero… · cslmd...

Documents