On the Structure of the Lower Troposphere in the Summertime Stratocumulus Regime of the Northeast Pacific

Data collected in situ as part of the second field study of the Dynamics and Chemistry of Marine Stratocumulus field program are used to evaluate the state of the atmosphere in the region of field operations near 30°N, 120°W during July 2001, as well as its representation by a variety of routinely available data. The routine data include both the 40-yr European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) Re-Analysis (ERA-40) and NCEP–NCAR reanalyses, forecasts from their respective forecast systems (the Integrated and Global Forecast Systems), the 30-km archive from the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP), the Quick Scatterometer surface winds, and remotely sensed fields derived from radiances measured by the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager (TMI), the Advanced Microwave Sounding Unit, and the Advanced Very High Resolution Radiometer. The analysis shows that outside of the boundary layer the state of the lower troposphere is reasonably represented by the reanalysis and forecast products, with the caveat of a slight warm bias at 850 hPa in the NCEP–NCAR products. Within the planetary boundary layer (PBL) the agreement is not as good: both the boundary layer depth and cloud amount are underpredicted, and the boundary layer temperature correlates poorly with the available data, which may be related to a poor representation of SSTs in this region of persistent cloud cover. ERA-40 also suffers from persistently weak zonal winds within the PBL. Among the satellite records the ISCCP data are found to be especially valuable, evincing skill in both predicting boundary layer depth (from cloud-top temperatures and TMI surface temperatures) and cloud liquid water paths (from cloud optical depths). An analysis of interannual variability (among Julys) based on ERA-40 and the 1983–2001 ISCCP record suggests that thermodynamic quantities show similar interannual and synoptic variability, principally concentrated just above the PBL, while dynamic quantities vary much more on synoptic time scales. Furthermore, the analysis suggests that the correlation between stratocumulus cloud amount and lower-tropospheric stability exhibits considerable spatial structure and is less pronounced than previously thought

The role of water vapor in climate. A strategic research plan for the proposed GEWEX water vapor project (GVaP)

The proposed GEWEX Water Vapor Project (GVaP) addresses fundamental deficiencies in the present understanding of moist atmospheric processes and the role of water vapor in the global hydrologic cycle and climate. Inadequate knowledge of the distribution of atmospheric water vapor and its transport is a major impediment to progress in achieving a fuller understanding of various hydrologic processes and a capability for reliable assessment of potential climatic change on global and regional scales. GVap will promote significant improvements in knowledge of atmospheric water vapor and moist processes as well as in present capabilities to model these processes on global and regional scales. GVaP complements a number of ongoing and planned programs focused on various aspects of the hydrologic cycle. The goal of GVaP is to improve understanding of the role of water vapor in meteorological, hydrological, and climatological processes through improved knowledge of water vapor and its variability on all scales. A detailed description of the GVaP is presented

Cumulus boundary layers in the atmosphere : high resolution models and satellite observations

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011This project intends to explore some of the challenges on the representation of the Planetary Boundary Layer (PBL) using both high resolution models and state of the art observations. Some of the issues related the different types of boundary layers are highlighted in the context of a model intercomparison at a transect in the northeast Pacific that served as a benchmark for studying cloud regimes and transitions between them. Several model biases were detected and even reanalysis products do not show reasonable comparisons against observations in terms of low-cloud related variables. The transition from shallow to deep convection over land is a key process in the diurnal cycle of convection over land. High resolution simulations were analyzed the ability of the model to reproduce observed precipitation characteristics and its sensitivity to horizontal resolution and to the evaporation of precipitation. The latter physical process influences the development of new convection by increasing the thermodynamic heterogeneities at the PBL through the formation of cold pools which result from convective downdrafts. At the later stages of the transition these features dominate the PBL behavior, as the turbulent length scales increase up to several times the size of the PBL height. Results are however quite sensitive to model resolution. At the observational perspective, the Atmospheric Infrared Sounder was used to characterize the PBL properties in a variety of situations. An algorithm for PBL height determination was developed and validated against radiosondes launched at the Rain in Cumulus over the Ocean campaign. The encouraging results of the validation led to the calculation of a PBL height climatology over the tropical, subtropical and midlatitude oceans. Results were then compared to similar estimates from collocated profiles from ERA-Interim, revealing similar geographical distribution and seasonal variations. Diurnal variability is much different between both datasets which warrants further investigations.A camada limite planetária (CLP) apresenta desafios tanto em termos observacionais como em termos da sua modelação numérica. O seu papel no sistema climático traduz-se na mediação das interacções entre a superfície e a troposfera livre, através de fluxos turbulentos de calor, humidade , momento e outros constituintes químicos e aerossóis. A estrutura da CLP encontra-se profundamente relacionada com as condições climatéricas de uma dada região, em particular com tipo de nuvens predominantes. A intercomparação de modelos realizada sobre uma secção no Pacífico nordeste pretendeu avaliar a capacidade dos modelos de representar os diversos processos associados aos diversos regimes de nuvens presentes na região. A secção mostrou-se indicada para este exercício, pois além de amostrar as características principais das células de Walker e Hadley, é também representativa das transições que ocorrem entre nuvens estratiformes que ocorrem ao largo da costa da California, nuvens tipo cumulus pouco profundos na região dos Alíseos e nuvens tipo cumulonimbos que ocorrem preferencialmente na Zona Intertropical de Convergência (ITCZ). Os resultados da comparação evidenciaram as enormes discrepâncias que existem entre modelos em termos da representação dos processos associados às nuvens. Além dos modelos, a própria reanálise ERA-40 mostrou diferenças significativas quando comparada com observações de detecção remota dedicadas a esses processos. A transição de entre convecção pouco profunda para convecção profunda é o processo que domina a fase matinal do ciclo diurno da convecção sobre terra nos trópicos, e a sua representação na maioria dos modelos de larga escala apresenta graves deficiências, com o pico da precipitação a ocorrer no período na manhã, enquanto as observações mostram que o mesmo ocorre a meio da tarde. Os modelos tendem a usar um fecho para a parameterização da convecção baseado no conceito de energia potencial disponível para a convecção (CAPE), que activa a convecção profunda demasiado cedo, sendo que as simulações de alta resolução têm mostrado que o processo é bastante mais gradual: inicia-se com a formação de uma camada limite bem misturada, seguida da formação de cumulus pouco profundos que humidificam as camadas inferiores da troposfera, para então se dar a transição para convecção profunda. Neste projecto realizaram-se simulações de alta resolução deste processo usando o modelo MesoNH, por forma a estudar a capacidade do modelo de reproduzir as características da precipitação e a sensibilidade dos resultados à resolução do modelo e à evaporação da precipitação. Este vi último processo físico desempenha um papel fundamental no estabelecimento da fase madura do regime de convecção profunda. Isto porque ao evaporar, a precipitação arrefece o ar, causando fortes correntes descendentes que ao atingir a superfície se espraiam sob a forma de correntes gravíticas. Nos limites destas correntes, fortes gradientes termodinâmicos forçam o ar da CLP a subir, originando novas térmicas que eventualmente formam novas células convectivas. Nas fases finais da transição, estas perturbações dominam o comportamento da CLP, tal como indicam os diagnósticos espectrais das escalas de comprimento dominantes. Esta análise mostra que o tamanho dos turbilhões na CLP varia desde a dimensão típica da altura da CLP na fase de convecção pouco profunda até dimensões que superam várias vezes essa escala típica na fase de convecção profunda. Esse comportamento é totalmente distinto na simulação sem evaporação de precipitação, com os turbilhões a manterem dimensões associadas à altura da CLP durante todo o processo. Os resultados revelam contudo uma grande sensibilidade à resolução do modelo, com evoluções bastante distintas no alcance vertical da convecção nas simulações com diferentes resoluções. As diferenças são atribuidas à diferente representação dos processos turbulentos por parte do modelo de turbulência de subescala, mas os resultados são ainda inconclusivos. A observação da CLP por métodos de detecção remota apresenta também desafios próprios. Neste projecto, a base de dados do Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) V5 L2 Support Product foi usada para estimar parâmetros da camada limite. Este produto apresenta um espaçamento de grelha vertical superior ao dos produtos AIRS convencionais, o que o torna mais indicado para estudar a CLP. Um algoritmo para determinação da altura da CLP foi desenvolvido e validado contra dados das sondagens lançadas no contexto da campanha Rain in Cumulus over the Ocean, ocorrida nas Caraíbas no Inverno de 2004-2005. Essa área é dominada nessa altura do ano por convecção pouco profunda embebida nos ventos alíseos, o que a torna ideal para a validação dos perfis obtidos com o AIRS, dado que o sensor utiliza radiâncias da banda do infravermelho, fortemente atenuadas pela presença de nuvens. Os perfis utilizados foram comparados com os das radiossondagens e revelaram a sua capacidade de ilustrar as principais características da CLP, com margens de erro dentro do aceitável de acordo com as características desejáveis para o instrumento. Os resultados mostraram-se insensíveis a diversos factores como a fracção de nuvens e de píxeis terrestes no campo de visão, radiação de longo comprimento de onda no topo da atmosfera e distância entre vii a radiossonda e o pixel do satélite. As alturas da CLP são determinadas a partir de perfis de temperatura potencial e humidade relativa, a partir da localização do nível com maiores gradientes verticais dessas propriedades. Os métodos utilizados na determinação da altura da CLP são ainda objecto de debate e dependem da base de dados utilizada; este foi o método escolhido por ser o mais simples, mais adequado aos dados disponíveis e com maior aplicabilidade em diferentes regiões do globo. A comparação entre as estimativas dos dados de satélite e das radiossondas revela erros médios quadráticos da ordem de 50 hPa, o que mostra que o produto é capaz de caracterizar de forma aceitável a altura da CLP. Uma climatologia da altura da CLP foi calculada usando toda a base de dados do AIRS (2003-2010) ao longo dos oceanos das regiões tropicais, subtropicais e das latitudes médias. Essa climatologia foi comparada com estimativas semelhantes obtidas a partir de perfis da reanálise ERA-Interim extraídos da localização mais próxima e da hora mais próxima da hora de passagem do satélite. Ambas as estimativas revelaram distribuições realísticas da altura da CLP, com valores mínimos a coincidir com as áreas dominadas por nuvens estratiformes ao largo da costa oeste dos continentes subtropicais e valores mais altos nas zonas dominadas por convecção profunda. As variações sazonais são também realistas em ambos as bases de dados, com características como a migração da ITCZ ao longo do ano e o estabelecimento das características típicas de monções sazonais em determinadas regiões do globo. Contudo, o ciclo diurno aparece representado nas duas bases de dados de forma bastante distinta: enquanto o AIRS mostra variações realísticas da altura da CLP ao longo do ciclo diurno, a ERA-Interim não apresenta variações diurnas significativas, o que indica a presença de algumas deficiências na representação de processos de camada limite sobre o oceano nessa base de dados. Os dados foram analisados em particular sobre a secção no Pacífico nordeste com objectivo de explicar alguns dos desvios encontrados. Essa análise evidenciou a tendência do instrumento para amostrar principalmente pixeis com características de céu limpo ou com nebulosidade reduzida, pois ao aplicar amostragem condicional aos dados ERA-Interim de modo a isolar os perfis característicos de baixas coberturas nebulosas, mostra-se que existe uma correspondência bastante melhor entre as duas bases de dados. Neste trabalho mostra-se que tanto modelos como observações da CLP sofrem dos seus problemas e que avanços significativos no conhecimento desta camada tão importante da atmosfera só podem ser atingidos combinando eficazmente ambas as estratégias.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/37800/2007 e projectos (PTDC/CLI/73814/2006);(PEst-OE/CTE/LA0019/2011/2012) e Fundação Calouste Gulbenkia

Remote sensing of tropospheric turbulence using GPS radio occultation

Radio occultation (RO) measurements are sensitive to the small-scale irregularities in the atmosphere. In this study, we present a new technique to estimate tropospheric turbulence strength (namely, scintillation index) by analyzing RO amplitude fluctuations in impact parameter domain. GPS RO observations from the COSMIC (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate) satellites enabled us to calculate global maps of scintillation measures, revealing the seasonal, latitudinal, and longitudinal characteristics of the turbulent troposphere. Such information are both difficult and expensive to obtain especially over the oceans. To verify our approach, simulation experiments using the multiple phase screen (MPS) method were conducted. The results show that scintillation indices inferred from the MPS simulations are in good agreement with scintillation measures estimated from COSMIC observations

A novel satellite mission concept for upper air water vapour, aerosol and cloud observations using integrated path differential absorption LiDAR limb sounding

We propose a new satellite mission to deliver high quality measurements of upper air water vapour. The concept centres around a LiDAR in limb sounding by occultation geometry, designed to operate as a very long path system for differential absorption measurements. We present a preliminary performance analysis with a system sized to send 75 mJ pulses at 25 Hz at four wavelengths close to 935 nm, to up to 5 microsatellites in a counter-rotating orbit, carrying retroreflectors characterized by a reflected beam divergence of roughly twice the emitted laser beam divergence of 15 µrad. This provides water vapour profiles with a vertical sampling of 110 m; preliminary calculations suggest that the system could detect concentrations of less than 5 ppm. A secondary payload of a fairly conventional medium resolution multispectral radiometer allows wide-swath cloud and aerosol imaging. The total weight and power of the system are estimated at 3 tons and 2,700 W respectively. This novel concept presents significant challenges, including the performance of the lasers in space, the tracking between the main spacecraft and the retroreflectors, the refractive effects of turbulence, and the design of the telescopes to achieve a high signal-to-noise ratio for the high precision measurements. The mission concept was conceived at the Alpbach Summer School 2010

Analysis and use of VAS satellite data

Four interrelated investigations have examined the analysis and use of VAS satellite data. A case study of VAS-derived mesoscale stability parameters suggested that they would have been a useful supplement to conventional data in the forecasting of thunderstorms on the day of interest. A second investigation examined the roles of first guess and VAS radiometric data in producing sounding retrievals. Broad-scale patterns of the first guess, radiances, and retrievals frequently were similar, whereas small-scale retrieval features, especially in the dew points, were often of uncertain origin. Two research tasks considered 6.7 micron middle tropospheric water vapor imagery. The first utilized radiosonde data to examine causes for two areas of warm brightness temperature. Subsidence associated with a translating jet streak was important. The second task involving water vapor imagery investigated simulated imagery created from LAMPS output and a radiative transfer algorithm. Simulated image patterns were found to compare favorably with those actually observed by VAS. Furthermore, the mass/momentum fields from LAMPS were powerful tools for understanding causes for the image configurations

Latent Heat Flux Profiles from Collocated Airborne Water Vapor and Wind Lidars during IHOP_2002

Latent heat flux profiles in the convective boundary layer (CBL) are obtained for the first time with the combination of the DLR water vapor differential absorption lidar (DIAL) and the NOAA high resolution Doppler wind lidar (HRDL). Both instruments were integrated nadir viewing on board the DLR “Falcon” research aircraft during the International H2O Project (IHOP_2002) over the U.S. Southern Great Plains. Flux profiles from 300 – 2500 m AGL are computed from high spatial resolution (150 m horizontal and vertical) two-dimensional water vapor and vertical velocity lidar cross sections using the eddy covariance technique. All cospectra show significant contributions to the flux between 1 and 10 km wavelength, with peaks between 2 and 6 km, originating from large eddies. The main flux uncertainty is due to low sampling (55 % rmse at mid-CBL), while instrument noise (15 %) and systematic errors (7 %) play a minor role. The combination of a water vapor and a wind lidar on an aircraft appears as an attractive new tool that allows measuring latent heat flux profiles from a single over-flight of the investigated area

Analysis and use of VAS satellite data

A series of interrelated investigations has examined the analysis and use of VAS (VISSR Atmospheric Sounder) satellite data. A case study of VAS-derived mesoscale stability parameters suggested that they would have been a useful supplement to conventional data in the forecasting of thunderstorms on the day of interest. However, the meteorological significance of small or short lived stability features was uncertain. A second investigation examined the roles of first guess and VAS radiometric data in producing sounding retrievals. The radiance data often did not have a decisive influence on the final satellite soundings. Broad-scale patterns of the first guess, radiances, and retrievals frequently were similar, whereas small scale retrieval features, especially in the dew points, were often of uncertain origin