Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de pollution atmosphérique et du sol LPAS)

Measurement and analysis of aerosols, cirrus-contrails, water vapor and temperature in the upper troposphere with the Jungfraujoch LIDAR system

Balin, Ioan ; Van den Bergh, Hubert (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2975.

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    Summary
    The impact of human activities on the global climate may lead to large disruptions of the economic, social and political status quo in the middle and long term. Understanding the dynamics of the Earth's climate is thus of paramount importance and one of the major scientific challenges of our time. The estimation of the relative contribution of the many components (interacting each other) of the Earth's climate system requires observation and continuous monitoring of various atmospheric physical and chemical parameters. Temperature, water vapor and greenhouse gases concentration, aerosol and clouds loads, and atmospheric dynamics are parameters of particular importance in this respect. The quantification of the anthropogenic influence on the dynamics of these above-mentioned parameters is of crucial importance nowadays but still affected by significant uncertainties. In the present context of these huge uncertainties in our understanding of how these different atmospheric compounds contribute to the radiative forcing, the research presented in this report is related to the following topics: Development of lidar-based remote sensing techniques for monitoring atmospheric compounds and processes Aerosols – cirrus – contrails optical properties up to the tropopause Water vapor mixing ratio and relative humidity estimation in the upper troposphere Temperature profiling in the upper troposphere-lower stratosphere Characterization of the long-range transported mineral aerosols (i.e. Saharan dust outbreaks) Planetary boundary layer-upper troposphere exchanges (i.e. August 2003 heatwave effect) In the above research frames, the development and application of measurement techniques for the monitoring of climate-change parameters, this work refers to the implementation of a multi-wavelength LIDAR1 system (JFJ - LIDAR)2 at the International Scientific Station of Jungfraujoch (ISSJ, 46°33' N, 7°59' E, at 3580 m ASL- above sea level). The JFJ3 station is situated above the planetary boundary layer (PBL) almost all year long and is located in a mountain pass linking the Swiss plateau to the North with the Rhone Valley to the South through the Aletsch glacier corridor. Measurements with the JFF-LIDAR system provide regular vertical and horizontal remote sensing of water vapor, temperature, and optical properties (backscatter and extinction coefficients) of aerosols, cirrus clouds and contrails in the upper troposphere (UT)4. The lidar system is based on the laser emission at 355, 532 and 1064 nm and on subsequent detection of both elastic (Mie) and inelastic (Raman) atmospheric backscatter light. The backscattering collected radiation is precisely: the elastic at 355, 532 and 1064 nm; the rotational-vibrational Raman radiation from nitrogen at ~ 387 nm, and from water vapor at ~ 407 nm as well as the pure rotational nitrogen/oxygen Raman excited at ~ 532 nm. The depolarization of the initially linearly polarized radiation was also detected at 532 nm and it was use to distinguish between water and ice contents in cirrus clouds, but also it may reveal long-range transported mineral aerosols such as Saharan dust. Profiles of backscatter and extinction coefficients of aerosols-cirrus-contrails, needed for estimation of the radiative balance of the atmosphere, are derived from elastic and Raman light scattering processes, or through a combination of both, using devoted algorithms and software developed within this research. Data gathered from routine measurements are statistically analyzed and interpreted in comparison with similar measurements obtained from colocated techniques. Optical and microphysical properties of a typical contrail were studied. The UT water vapor mixing ratio profiles are estimated from the ratio of ~ 407 nm and ~387 nm Raman radiation excited by 355 nm. Upon appropriate calibration, real time water vapor mixing ratio profiles derived from LIDAR measurements are found in good agreement with the closest radiosounding techniques, and co-located measurements such as the GPS5 and sun photometer based measurements. The water vapor profiles, combined with simultaneous temperature profiles taken from atmospheric models, radiosounding or, more realistically, based on the pure rotational Raman technique, were used for the estimation of relative humidity profiles which allow the identification of UT super-saturation regions. Air temperature profiles were obtained up to the lower stratosphere using the backscatter of pure rotational Raman radiation excited by 532 nm. These first results compare well to simultaneous regional radiosounding measurements, and follow standard atmospheric models. The pure rotational Raman backscatter was also used for determining absolute extinction and the lidar ratio for cirrus clouds. Based on the JFJ-LIDAR measurements, supported by co-located and regional measurements, the research presents also in detail two case studies related to climate problematic: The first concerns the tracking of a Saharan dust outbreak (SDO) and the derivation of its optical properties. The second study refers to the analysis of the evolution and consequences of the high altitudes planetary boundary layer (PBL)6 convection during the August 2003 heat - wave episode. The results presented within this research provide a promising basis for extending these JFJ-LIDAR observations from the upper troposphere into the stratosphere by using the existent astronomic telescope (~15 times increased sensitivity) and a new (~ 3 times more powerful) laser source. Consequently DIAL7 technique for measuring the stratospheric ozone will be developed and implemented in the near future at JFJ. Future challenges include also JFJ-LIDAR remote control operation and the ability of real time obtained atmospheric calibrated profiles (i.e. optical properties of aerosols-cirruscontrails, water vapor, temperature and ozone). -------------------- 1 LIDAR – LIght Detection And Ranging 2 JFJ-LIDAR is the acronym used here for Jungfraujoch multi-wavelength LIDAR system 3 JFJ is the abbreviation for Jungfraujoch 4 UT will be used as abbreviation for upper troposphere (from ~ 3600 m ASL to the tropopause atmospheric region) 5 GPS is the acronym for Global Positioning System 6 PBL - planetary boundary layer – its top is usually situated under the altitude of the JFJ station (i.e. 3600m ASL) 7 DIAL - is the acronym coming from DIfferential Absorption Lidar
    Résumé
    L'impact des activités humaines sur le climat peut conduire à des perturbations économiques, sociales et politiques à court et long terme. La compréhension des dynamiques du climat sur Terre est à présent une préoccupation majeure de la communauté scientifique mondiale. L'estimation de la contribution relative des facteurs actifs sur le climat nécessite de nouvelles observations réalisées à long terme (i.e. du monitoring) des nombreux paramètres physico-chimiques de l'atmosphère terrestre. La température, la concentration de la vapeur d'eau et des autres gaz à effet de serre, les aérosols, les nuages et les différents échanges entre les couches de l'atmosphère sont des paramètres déterminants du climat. Dans le contexte actuel, de larges incertitudes subsistent quant à la contribution des composants atmosphériques à l'effet de serre (peu d'estimations quantitatives des différentes contributions dans le bilan radiatif du système Soleil – Atmosphère – Terre). Dans ce contexte le travail présenté par ce rapport est relié aux problématiques suivantes: L'élaboration des outils basée sur la technique lidar pour l'observation systématique des composants et processus atmosphériques L'estimation des propriétés optiques des aérosols – cirrus – « contrails » L'estimation de la vapeur d'eau et de l'humidité relative dans la haute troposphère L'estimation de la température atmosphérique jusqu'à la basse stratosphère Caractérisation des aérosols minéraux transportés à l'échelle globale (i.e. les poussières de Sahara) Echanges entre la couche limite planétaire et haute troposphère (i.e. l'effet de la canicule d'août 2003) Dans le contexte du développement et de l'application des techniques mesurant des paramètres atmosphériques à forte vocation climatique, ce travail rapporte l'implémentation d'un système LIDAR multi - longueur d'onde (JFJ - LIDAR) à la station scientifique de Jungfrajoch (ISSJ, 46°33' N, 7°59' E, 3580 m ASL). La station est située au-dessus de la couche limite planétaire (excepté quelques jours en été). L'observatoire est construit au sommet d'une proéminence rocheuse de type permafrost (Sphynx) en plein milieu du col de Jungfraujoch. Ce col relie le bassin du Rhin (au Nord) avec la vallée du glacier d'Aletsch qui appartient au bassin hydrographique du Rhône (au Sud). Le JFJ - LIDAR est en mesure de fournir systématiquement des profils (horizontaux et verticaux) de la concentration de la vapeur d'eau, de la température et des propriétés optiques (i.e. coefficients de rétro-diffusion et d'extinction) des aérosols et des cirrus dans la haute troposphère. Le système lidar est basé sur l'émission de faisceaux laser à trois longueurs d'onde (i.e. 355, 532 et 1064 nm) et la détection des radiations rétro – diffusées : élastiques (Mie, 355, 532 et 1064 nm) ou inélastiques (Raman, 387, 407, 607, et 532 rotationnel). La dépolarisation de la lumière rétro- diffusée à 532 nm à été aussi mesurée et utilisée pour analyser le degré de composition des nuages en eau et glace ou pour l'analyse de la poussière saharienne. Des profils de coefficients de rétro-diffusion et d'extinction des aérosols - cirrus « contrails », en vue des calculs de bilan radiatif, sont dérivés à partir des signaux Mie et Raman en utilisant des algorithmes développés en MatLab, LabView, Delphi, etc. Ce rapport contient une analyse statistique des mesures réalisées entre mai 2000 et mai 2002. Ces valeurs sont comparées aux mesures similaires obtenues par d'autres instruments installés à la station. Les propriétés optiques et microphysiques (très peu connues) d'un « contrail » typique ont été analysée et sont rapportées dans ce document. L'analyse de la dépolarisation à 532 nm a permis de faire la distinction entre eau-glace ou mélange de deux dans les nuages ainsi que de détecter les aérosols minéraux transportés à l'échelle globale comme les poussières sahariennes. Le rapport de mélange de la vapeur d'eau dans la troposphère libre par la technique du Raman lidar a été dérivé systématiquement (i.e. profils verticaux à haute résolution spatio-temporelle) considérant le rapport de la radiation Raman de l'eau à 407 nm et celle de l'azote à 387 nm. Les estimations absolues, basées sur une calibration in situ, comparées à d'autres mesures à la station (i.e GPS) ou régionales (i.e radiosondage de Payerne) montrent des corrélations réalistes. Des profils d'humidité relative ont été calculés en considérant d'abord les profiles de température des modèles et à partir de juin 2002 ceux mesurés par le lidar même. Sur les profiles d'humidité relative on a pu identifier systématiquement des régions de super-saturation dans la haute troposphère. Des profils de température ont été aussi obtenus jusqu'en basse stratosphère en utilisant la technique Raman rotationnel à 532 nm. Les premiers résultats sont en très bonne corrélation avec les modèles et le radiosondage de Payerne. Les signaux du Raman rotationnel ont été aussi utilisés pour la détermination absolue de la rétro - diffusion, de l'extinction et du rapport extinction/rétro-diffusion correspondant aux cirrus. Sur la base des mesures du système lidar à Jungfraujoch et d'autres observations faites à Jungfraujoch ou à caractère régional deux études de cas sont proposées, due à leur importance vis-à-vis de la problématique climatique. La 1ère est dédiée à la caractérisation optique et microphysique des poussières sahariennes lors de la tempête de poussière désertique du 02 août 2001 La 2ème se penche sur l'interprétation des mesures obtenues lors de la vague de chaleur extrême d'août 2003. Les résultats de ce travail constituent une base prometteuse pour l'extension des mesures lidar à la stratosphère en utilisant le télescope astronomique (~ 15 fois plus sensible) et une nouvelle source lidar (~ 3 fois plus puissante). Avec ces améliorations en émission et en détection la mesure de l'ozone stratosphérique doit être possible à court terme. Pour des mesures systématiques à long terme, l'opération à distance du système ainsi que la réalisation des mesures en temps réel sont envisagés.