Les Aérosols au SIRTA : mesures et études

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1 Les Aérosols au SIRTA : mesures et études JC. Dupont, M. Haeffelin, C. Pietras, et al. Conseil Scientifique LMD, session AEROSOL, le 14/03/2014 CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 1/15

2 1.Le Lidar IPRAL au SIRTA en 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 CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 2/15

3 (1/2) LIDAR IPRAL (IPSL Hi-Performance multi-wavelength Raman Lidar for Cloud Aerosol Water Vapor Research) IPRAL SPECIFICATIONS Emission Spectra Physics, Quanta Ray PRO nm laser 1600mJ Overlap Telescop Wavelength Depolarization Depolarization calibration SNR Backscatter signal Raman signal Nitrogen Raman signal water vapor Far Field : better than 2500m Near Field : better than 300m Far Field (FF) 600: 2 15 km Near Field (NF) 200: 300m 3 km Backscatter signal 1064nm for FF, 24/24; 355nm for NF, 24/24; 532nm for NF and FF, 24/24 Raman N 2, 387 and 607nm for FF, 24/24; H 2 O, 408nm for FF and NF, 24/24 Channel optics and electronics up to 10 nm +/- 45 degree method, motorized waveplate IPRAL PERFORMANCES 0.3 to 15km (Day, 10min avg.) 0.3 to 7km (Day, 20min avg.) 0.3 to 12km (Night, 20min avg.) 2 to 5km (Day, 30min avg.) 2 to 10km (Night, 10min avg.) 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 CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 3/15

4 (2/2) IPRAL A national tool to contribute to national and international networks ACTRIS IPRAL OBJECTIVES 1. Aerosol transport and air quality, understanding the role and contribution of dust, volcanic ash, biomass burning plumes in major particle events; 2. Cloud and water vapor processes in the upper troposphere; cirrus life cycle and radiative impact; anthropogenic cirrus clouds (contrails) and their radiative impacts CONSTRAINTS: -N2 Raman for extinction and backscatter retrieval high performance -Multi wavelength for aerosol properties complex -Routine operation (day and night) robotized PROJECT/PROGRAM I3 ACTRIS (FP7) SOERE ORAURE SOERE ROSEA Mission EARTHCARE Météo-France Lidar Network CONTRIBUTION Aerosol transport in Europe Aerosol properties Cirrus and water vapor Mission preparation and validation Support for aerosol speciation CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 4/15

5 (1/2) STRAT+ mixing height retrieval from Lidar + Sonic Anemom. (1) Initial step: derive significant aerosol gradients and cloud-base height from highresolution Lidar attenuated backscatter (2-D gradient technique) (2) Improve attribution: identify the layer in which surface emitted species are mixed (Mixing Layer Depth, MLD) Transitions: Atmospheric-layer stability class (stable, neutral, unstable) from Monin-Obukov parameter Max turbulent mixing: Lidar backscatter variance analysis Backscatter Mixing height (1) Haeffelin et al. (BLM) 2012; (2) Pal et al. 2013(JGR) STRAT+: Automatic, objective layer attribution combining diagnostics of surface stability, mixing process, and backscatter gradients from aerosols and clouds with Quality Control and Uncertainty Bars. CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 5/15

6 (2/2) MLD retrievals STRAT+ on ALS450 Etude statistique ( ) sur les processus (bilan radiatif, flux de surface, humidité, entrainement, subsidence, stabilité de la tropo libre) qui gouvernent la variabilité du développement diurne de la couche limite (Pal and Haeffelin, 2014 under preparation) Etude des sources d'incohérence entre différents traceurs utilisés pour suivre le développement de la couche limite: profils aérosols, profils température, profils de vent, profils de turbulence (Batchvarova, Haeffelin, Pal, Cimini, Dupont. E. Batchvarova visiting scientist au LMD en mai 2014). CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 6/15

7 (1/2) POTENTIAL EUROPEAN LIDAR-CEILOMETER NETWORK Met Services are replacing cloud-base ceilometer networks by aerosol/cloud profiling Lidarceilometers. Some are already organizing their data in networks and providing backscatter data in NRT (e.g. KNMI, DWD, UKMO, ) ALL 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 PROFILING HAEFFELIN ET AL COURTESY OF W. THOMAS (DWD) Dense networks of profilers: motivation to improve retrievals CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 7/15

8 (2/2) TOWARDS INTEGRATED EUROPEAN NETWORK OF AUTOMATIC PROFILING LIDAR CEILOMETER EG-CLIMET Action ( ) TO-PROF Action ( ) 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 observation which should lead to improved forecasts of hazardous weather ranging from severe convective storms to pollution episodes. 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 and aerosols 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 model evaluation and assimilation. Complementary roles of E-PROFILE and TOPROF in implementing new observing systems. E-PROFILE is involved in high-level coordination, setting up the hardware for data transfer, implementing standard formats and procedures TO-PROF to develop common calibration, maintenance, and retrieval algorithms needed for ceilometers, microwave radiometers and doppler lidars CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 8/15

9 (1/3) Observations in-situ gaz/aérosols du SIRTA, site du LSCE Tour Eiffel (20km) Instruments de suivi temps réel des propriétés in-situ des aérosols (J. Sciare, J.E. Petit, R. Sarda-Estève, V. Crenn) CEA -Saclay Ecole Polytechnique (3km) CEA -Orme des Merisiers zone 5 Station de mesure in-situ gaz réactifs/aérosols Premières mesures de NO/NO2 du programme ACTRIS au SIRTA (N. Bonnaire, V. Gros) Laboratoire de mesure de 70m², Local technique = 12m²,Bureau = 12m² CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 9/15

10 (2/3) Un supersite de mesures atmosphériques intégré aux réseaux régionaux, nationaux et internationaux Observatoire national SOERE «ORAURE» AURORE Mars 2013 Exercice d intercalibration des mesures optiques des stations françaises de mesure des aérosols Réseau EU de supersites atmosphériques «ACTRIS» / Exercice d intercalibration EU des techniques analytiques gaz/aérosols (VOC, NOx, chimie des aérosols (ions, carbone, traceurs organiques), propriétés optiques des aérosols, Novembre 2013 Exercice d intercalibration des mesures de détection en temps réel de la chimie des particules fines impliquant la quasi-totalité des supersites atmosphériques EU CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 10/15

11 (3/3) PM (chauffage au bois), µg/m3 PM (trafic), µg/m3 Saisonnalité des aérosols de combustion à Paris Suivi des concentrations PM "chauffage au bois" Suivi des concentrations PM "trafic" 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.] Origine géographique de La pollution liée aux particules fines (PM 2.5 ) en Ile-de- France: En moyenne annuelle, à Paris, la pollution particulaire liée au chauffage au bois est équivalente à celle produite par le traffic [Sciare et al.] En moyenne sur l année Près des 3/4 de la pollution particulaire en IdF est importée!!! Beekmann et al. (2013), GRL CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 11/15

12 (1/4) INTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENT Source: Haeffelin et al. PAG Case studies. Lidar backscatter FOG Temperature inversion 100% RH Source: Haeffelin et al PAG 2013 Increased aerosol backscatter Aerosols grow by deliquescence over 200-m deep layer CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 12/15

13 (2/4) INTERACTION AEROSOLS - RAYONNEMENT Source: Haeffelin et al PAG nm Aerosol conc X5 VIS drops 2000 to 1000m Net LW reduced by 30% CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 13/15

14 (3/4) INTERACTION AEROSOLS RAYONNEMENT : EAU LIQUIDE ou NON? FOG QUASI-FOG (No liquid phase) Aerosol backscatter (yellow-green) et clouds (red), and temperature profile (K) et humidity (%) 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: lackofmixinginthesurfacelayer(typicallywindspeedlessthan0.5ms -1 ), relative humidity exceeding 90% throughout the residual layer, low cooling rate in thesurface layer (typically less than -1 C per hour on average) due toweakradiativecooling(0 to- 30Wm -2 )andnearzerosensibleheatfluxes,. 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. [Haeffelin et al., 2013] CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 14/15

15 (4/4) CONDITIONS D ACTIVATION des AEROSOLS Fog nuclei = Total Interstitial aerosols Activated fraction (AF) Source: Hammer et al FOGQUEST 2013 Hygroscopicity: (large fraction of organics) Activation diameter: nm Requires supersaturation: % [Hammer et al., 2014] CSLMD session Aérosols, 14 Mars Les Aérosols au SIRTA : mesures et études 15/15