Water Vapor Measurements by Howard University Raman Lidar during the WAVES 2006 Campaign

Retrieval of water vapor mixing ratio using the Howard University Raman Lidar is presented with emphasis on three aspects: i) performance of the lidar against collocated radiosondes and Raman lidar, ii) investigation of the atmospheric state variables when poor agreement between lidar and radiosondes values occurred and iii) a comparison with satellite-based measurements. The measurements were acquired during the Water Vapor Validation Experiment Sondes/Satellites 2006 field campaign. Ensemble averaging of water vapor mixing ratio data from ten night-time comparisons with Vaisala RS92 radiosondes shows on average an agreement within 10 % up to approx. 8 km. A similar analysis of lidar-to-lidar data of over 700 profiles revealed an agreement to within 20 % over the first 7 km (10 % below 4 km). A grid analysis, defined in the temperature - relative humidity space, was developed to characterize the lidar - radiosonde agreement and quantitatively localizes regions of strong and weak correlations as a function of altitude, temperature or relative humidity. Three main regions of weak correlation emerge: i) regions of low relative humidity and low temperature, ii) moderate relative humidity at low temperatures and iii) low relative humidity at moderate temperatures. Comparison of Atmospheric InfraRed Sounder and Tropospheric Emission Sounder satellites retrievals of moisture with that of Howard University Raman Lidar showed a general agreement in the trend but the formers miss a lot of the details in atmospheric structure due to their low resolution. A relative difference of about 20 % is usually found between lidar and satellites measurements

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

Statistical characterisation of water vapour variability in the troposphere

Tropospheric water vapour plays an important role in thermodynamic and radiative processes which have an immediate impact on the weather and climate system. However, the processes that determine the distribution of water vapour remain poorly understood. The complexity arises out of a range of source and sink processes from convective clouds on the kilometre scale to cloud systems associated with motions on scales of a thousand or more kilometres, as well as advection of water vapour as a passive tracer outside of clouds. While large-scale advection of water vapour is well represented in general circulation models, the simulation of small-scale moist processes that are of central importance to the representation of clouds are heavily dependent on parameterisations. However, observations as well as processes that determine the distribution of the water vapour field are insufficiently explored, leading to constrained parameterisations and therefore contributing significantly to the uncertainty of numerical weather and climate predictions. Hence, a more accurate description of the inhomogeneous water vapour field based on high-resolution observations is required. This thesis investigates a comprehensive data set of two-dimensional airborne water vapour observations in the free troposphere collected by a Differential Absorption Lidar (DIAL) in order to gain a height-resolved statistical characterisation of the inhomogeneous water vapour field. Structure functions, i.e., statistical moments up to the fifth order of absolute increments over a range of scales, are investigated and power-law behaviour or scale dependence is identified over horizontal distances from about 5~km to 100~km. The slope of the power-law fit, the so-called scaling exponent, is found to take different values, depending on whether or not the observations were taken in an air mass where convective clouds were present. These results are consistent with a non-convective regime that is dominated by large-scale advective processes, leading to monofractal scaling, but strong localised input of small-scale variability by convective circulations leading to intermittent fields. Further, the observed power-law statistics are used to evaluate the high-resolution numerical weather prediction model COSMO-DE of the German weather service with regard to the small-scale water vapour variability. The results of the scaling exponent analysis of cloud-free and partly cloudy scenes suggest, that the small-scale variance is modeled quite well in comparison with the lidar observations. By using the advantage of the model simulation where data is not limited to a specific flight path, the influence of sampling limitation is estimated and is found to be not significant. Further, the simulation provides humidity data in and beneath clouds which allows for an estimation of the uncertainty of data gaps in the lidar observations due to optically thick clouds. The error is identified to be in a range of only few percents. This thesis demonstrates that airborne DIAL observations are useful to build up a height-resolved statistical characterisation of tropospheric water vapour variability that allows to distinguish physical mechansims that are responsible for the water vapour distribution, to get new insights into stochastic parameterisations and further to use the structure function method as a suitable reality check of the numerical weather model COSMO-DE

A 20-YEAR CLIMATOLOGY OF GLOBAL ATMOSPHERIC METHANE FROM HYPERSPECTRAL THERMAL INFRARED SOUNDERS WITH SOME APPLICATIONS

Atmospheric Methane (CH4) is the second most important greenhouse gas after carbon dioxide (CO2), and accounts for approximately 20% of the global warming produced by all well-mixed greenhouse gases. Thus, its spatiotemporal distributions and relevant long-term trends are critical to understanding the sources, sinks, and global budget of atmospheric composition, as well as the associated climate impacts. The current suite of hyperspectral thermal infrared sounders has provided continuous global methane data records since 2002, starting with the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) onboard the NASA EOS/Aqua satellite launched on 2 May 2002. The Cross-track Infrared Sounder (CrIS) was launched onboard the Suomi National Polar Orbiting Partnership (SNPP) on 28 October 2011 and then on NOAA-20 on 18 November 2017. The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI) was launched onboard the EUMETSAT MetOp-A on 19 October 2006, followed by MetOp-B on 17 September 2012, then Metop-C on 7 November 2018. In this study, nearly two decades of global CH4 concentrations retrieved from the AIRS and CrIS sensors were analyzed. Results indicate that the global mid-upper tropospheric CH4 concentrations (centered around 400 hPa) increased significantly from 2003 to 2020, i.e., with an annual average of ~1754 ppbv in 2003 and ~1839 ppbv in 2020. The total increase is approximately 85 ppbv representing a +4.8% change in 18 years. More importantly, the rate of increase was derived using satellite measurements and shown to be consistent with the rate of increase previously reported only from in-situ observational measurements. It further confirmed that there was a steady increase starting in 2007 that became stronger since 2014, as also reported from the in-situ observations. In addition, comparisons of the methane retrieved from the AIRS and CrIS against in situ measurements from NOAA Global Monitoring Laboratory (GML) were conducted. One of the key findings of this comparative study is that there are phase shifts in the seasonal cycles between satellite thermal infrared measurements and ground measurements, especially in the middle to high latitudes in the northern hemisphere. Through this, an issue common in the hyperspectral thermal sensor retrievals were discovered that was unknown previously and offered potential solutions. We also conducted research on some applications of the retrieval products in monitoring the changes of CH4 over the selected regions (the Arctic and South America). Detailed analyses based on local geographic changes related to CH4 concentration increases were discussed. The results of this study concluded that while the atmospheric CH4 concentration over the Arctic region has been increasing since the early 2000s, there were no catastrophic sudden jumps during the period of 2008-2012, as indicated by the earlier studies using pre-validated retrieval products. From our study of CH4 climatology using hyperspectral infrared sounders, it has been proved that the CH4 from hyperspectral sounders provide valuable information on CH4 for the mid-upper troposphere and lower stratosphere. Future approaches are suggested that include: 1) Utilizing extended data records for CH4 monitoring using AIRS, CrIS, and other potential new generation hyperspectral infrared sensors; 2). Improving the algorithms for trace gas retrievals; and 3). Enhancing the capacity to detect CH4 changes and anomalies with radiance signals from hyperspectral infrared sounders