ARIS-Campaign: intercomparison of three ground based 22 GHz radiometers for middle atmospheric water vapor at the Zugspitze in winter 2009

This paper presents the Alpine Radiometer Intercomparison at the Schneefernerhaus (ARIS), which took place in winter 2009 at the high altitude station at the Zugspitze, Germany (47.42° N, 10.98° E, 2650 m). This campaign was the first direct intercomparison between three new ground based 22 GHz water vapor radiometers for middle atmospheric profiling with the following instruments participating: MIRA 5 (Karlsruhe Institute of Technology), cWASPAM3 (Max Planck Institute for Solar System Research, Katlenburg-Lindau) and MIAWARA-C (Institute of Applied Physics, University of Bern). Even though the three radiometers all measure middle atmospheric water vapor using the same rotational transition line and similar fundamental set-ups, there are major differences between the front ends, the back ends, the calibration concepts and the profile retrieval. The spectrum comparison shows that all three radiometers measure spectra without severe baseline artifacts and that the measurements are in good general agreement. The measurement noise shows good agreement to the values theoretically expected from the radiometer noise formula. At the same time the comparison of the noise levels shows that there is room for instrumental and calibration improvement, emphasizing the importance of low elevation angles for the observation, a low receiver noise temperature and an efficient calibration scheme. <br><br> The comparisons of the retrieved profiles show that the agreement between the profiles of MIAWARA-C and cWASPAM3 with the ones of MLS is better than 0.3 ppmv (6%) at all altitudes. MIRA 5 has a dry bias of approximately 0.5 ppm (8%) below 0.1 hPa with respect to all other instruments. The profiles of cWASPAM3 and MIAWARA-C could not be directly compared because the vertical region of overlap was too small. The comparison of the time series at different altitude levels show a similar evolution of the H<sub>2</sub>O volume mixing ratio (VMR) for the ground based instruments as well as the space borne sensor MLS

MobRa: Un Radiomètre Micro-Onde Mobile pour l'Etude de la Vapeur d'Eau dans l'Atmosphère Moyenne

La vapeur d'eau est un élément clé dans l'atmosphère moyenne. Elle est impliquée dans le bilan radiatif de la terre et elle joue un rôle capital dans plusieurs réactions chimiques. Grâce à sa durée de vie relativement longue, elle peut aussi être utilisée comme traceur de la dynamique de l'atmosphère moyenne. Quelques instruments spatiaux mesurent la vapeur d'eau. Le NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) dispose de quelques instruments au sol majoritairement situés aux latitudes moyennes de l'hémisphère nord permettant de valider ces données. Le radiomètre micro-onde mobile (MobRa) rendu opérationnel pendant cette thèse, mesure des profils verticaux de vapeur d'eau entre 25 et 60 km d'altitude, avec une résolution verticale variant de 10 à 20 km. A travers le phénomène du transfert radiatif, il est expliqué comment le rayonnement émis par les molécules de vapeur d'eau stratosphérique et mesuré au sol contient une information sur la distribution verticale de cette espèce chimique. L'instrument est présenté en détail, en insistant sur les points qui ont donné lieu à des modifications et améliorations, à savoir les méthodes de mesure et de calibration, la réduction des données ainsi que l'estimation des différents paramètres instrumentaux. La méthode de restitution des profils verticaux basée sur l'estimation optimale est présentée, avec une analyse détaillée du contenu en information et des erreurs. La validation de l'instrument est effectuée en comparant les mesures réalisées par MobRa à Toulouse et à Saint-Denis de la Réunion avec les données satellites du capteur MLS sur le satellite Aura.The Mobile Radiometer (MobRa) which is the object of this thesis retrieves vertical profiles of water vapour from 25 to 60 km of altitude with a vertical resolution ranging from 10 to 20 km. Through the radiative transfer equation, we explain how the radiation emitted by the molecules of middle-atmospheric water vapour and measured from the ground contains information on the vertical distribution of the chemical species. The instrument is fully described, with an emphasis on the key points that have required changes and improvements, such as measurement and calibration methods, control and acquisition, data reduction and estimation of instrumental parameters. The retrieval method based on the Optimal Estimation Method used to retrieve vertical profiles from the measured spectra is presented, together with a detailed information content and error analysis. The instrument validation is achieved by comparing measurements performed by MobRa in Toulouse and at the Reunion Island vs. satellite data from the Microwave Limb Sounder on the Aura platform