Transcript Avec le Lidar IPRAL

LIDAR IPRAL (IPSL Hi-Performance multi-wavelength
Raman Lidar for Cloud Aerosol Water Vapor Research)
+
SIRTA aerosol & cloud in-situ + remote sensing
measurements
M. Haeffelin, JC. Dupont (IPSL)
V. Noel, C. Hoareau, L. Menut, C.
Pietras, P. Delville, C. Cenac, F.
Lapouge (LMD)
P. Keckhut, Y. Courcoux (LATMOS)
T7
Workshop EECLAT 2013/01
© Gordien Strato
Objectifs EECLAT
(1)
Cloud and water vapor processes in
the upper troposphere; cirrus life cycle and
radiative impact; anthropogenic cirrus
clouds (contrails) and their radiative
impacts (EECLAT project T1.4, T2.2, T2.4).
(2)
Aerosol transport and air quality,
understanding the role and contribution of
dust, volcanic ash, biomass burning
plumes in major particle events; (EECLAT
project T3.2, T3.4)
(3)
Satellite mission preparation and
validation; retrieval of cloud and aerosol
extinction profiles, backscatter and
depolarization profiles for the preparation of
the EarthCARE mission (T7)
Nuages,
Profils
Aérosols,
UTLS
Vapeur d’eau, Troposphère
Brouillard,
Couche limite
Gaz (CO, O3)
Surface
Sol
Température
Rayonnement
Humidité
Dynamique
Vent
Turbulence
Précipitation
Objectif 1 : cirrus naturels et anthropiques, vapeur d’eau et
rayonnement
Avec le Lidar IPRAL
- Mieux comprendre les conditions de formation
et persistance des cirrus anthropiques (mesures
de vapeur d’eau)
-Distinguer cirrus naturels et anthropiques:
propriétés microphysiques particulières (taille,
forme)
- Quantifier propriétés de diffusion des cirrus et
effets radiatifs
Rapport mélange vapeur d’eau,
(Hoareau et al., AMTD, 2011)
Mesure impact radiatif en surface
Dupont et
al. 2008
Cirrus, 2 effets:
Chauffage solaire jour 
Refroidissement nuit 
Contenu en glace en fonction de
la température
(Heymsfield et al., 2010)
Spécifications Nuages
•Simulation avec ACTSIM: 1ce
cloud 8 to 9 km
•ice
•r = 20µm
•multiple scattering = 0.7
•optical depthτ = 0.01
• EXTINCTION -->
eff
Assuming required SNR~3
– required noise < ~10-4
km-1sr-1 at 9 km
–at temporal averaging < 5
minutes
Backscatter at cloud level
molecular : 5.6 10-4 km-1sr-1
+cloud τ = 0.01 : 8.7 10-4 km-1sr-1
+cloud τ = 0.02 : 14 10-4 km-1sr-1
required sensitivity 3.1 10-4 km1sr-1
•
•
•
•
V. Noel, LMD
Spécification
Vapeur d’eau
DE JOUR
DE NUIT
==> Optique de
détection
différente de
jour et de nuit
C. Hoareau (LMD)
Objectifs 2 : propriétés et impacts des aérosols transportés à
longue distance (dust, biomasse, cendres) sur qualité de l’air
Avec le Lidar IPRAL
- Restituer des profils de diffusion avec
une incertitude de 0.01 km-1
- Estimer des profils de paramètre de
taille des aérosols à partir de plusieurs
longueurs d’onde
Hostetler et Aerosol
al. 2007
depolarization
(532 nm)
Backscatter color ratio
(532/1064 nm)
Ansmann et al. 2010
Lidar ratio (532 nm)
Ratio of depolarization
(1064/532 nm)
- Spéciation des aérosols (nature,
taille) par rapport Lidar, rapport
de couleur, rapport dépolarisation
- Estimer les concentrations
massiques (classification de
coefficient masse-extinction
kg/m2/km-1)
Document de 5 pages de spécification
- Accéder aux propriétés de taille, forme,
nature, diffusion des aérosols et nuages
- Rapport de mélange vapeur d’eau
(Section de diffusion Raman)
- Ajustements, étalonnages pilotés:
vérifications régulières
- Fonctionnement autonome (sécurité):
longues séries de mesure
- Fonctionnement long-terme: 10 ans
Ordre de grandeur de la diffusion
Spécifications multiples du Lidar IPRAL
Molécules et particules
diffusant les photons
Solutions:
 « Pre-design study de 3 mois » : définition des solutions
techniques possibles, des compromis, des capacités de
fonctionnement, des coûts associés
 Fabrication du système par un industriel: utilisation de
technologies existantes et éprouvées (livraison fin 2013)
IPRAL - Solution technique proposée
Caractéristiques importantes
- Emission et réception de haute puissance pour
capturer des diffusions ténues
- Performances optiques et électroniques haute
qualité (analog./comptage): précision de mesure
- Voies de détection haute couche et basse couche
séparées; jour et nuit séparées (H20)
- Pilotage de adaptation du fonctionnement aux
conditions atmosphériques (densités, détecteurs);
étalonnage (alignement, dépolarisation)
- Systèmes de sécurité automatiques
Innovation à partir de solutions
techniques existantes
Proposition initiale Gordien Strato/Raymetrics, Fév 2012
Pre-design study: en cours (Mars 2013)
IPRAL - développements algorithmiques
Masques nuages, aérosols: algo STRAT (existant)
Restitutions profils coef extinction, rétrodiffusion aérosols + taille/forme/type
aérosols (PR2 + Raman N2):
 EARLINET Single Calculus chain (existant)
 Autres algos (développement SOERE ORAURE?, …)
Restitutions profils coef extinction, rétrodiffusion nuages + taille/forme/type
nuages (PR2 + Raman N2):
 A développer à partir de l’existant
Restitution profils rapport de mélange
 Algos « NDACC » existants. Traitements communs OPAR, OHP, COPDD, SIRTA dans SOERE ROSEA
IPRAL - Montage financier et Calendrier
- Enveloppe de réalisation : 780 k€
- Frais de fonctionnement: 15k€/an
(consommable et contrat de
maintenance)
- Co-financement par:
Région IdF, EP, IPSL, CNES/INSU
Organisme
%
k€ HT
Région IdF
45
350
EP
15
120
IPSL+LMD
22
170
CNES+INSU
18
140
TOTAL
100
780
- Pré-étude: solutions techniques et
chiffrage (Jan-Mar 2013) 
- Demande à la Région IdF à travers
l’AO équipements mi-lourds (mars
2012) 
- Demande TOSCA (avril 2012) X
- Demande LEFE (sept 2012) X
- Réalisation: 2013-2014
Co-financement:
82% acquis
18% nouvelles demandes
IPRAL - Retour sur l’évaluation TOSCA (Section T7=5 pages)
AVIS TOSCA relatif à la demande de co-financement du Lidar IPRAL:
Le SIRTA demande une contribution au CNES pour financer un nouveau lidar multilongueurs d’onde Raman, destiné à remplacer le
lidar. Une contribution de 100 k€ (sur 780 k€) est demandée au CNES.
Concernant le développement de ce nouveau lidar (nuages, aérosols, profil vapeur d’eau, opération 24h/7j) plusieurs difficultés ou
points durs devraient être instruits :
1- est-il techniquement faisable de réaliser un lidar Raman H2O qui fonctionne en 24j/7j et donc y compris de jour ?
2- le SIRTA a t-il suffisamment de personnel technique qui possède l’expertise technique pour développer ce nouveau lidar ?
3- la proposition ne semble pas s’appuyer sur les recommandations du Comité Scientifique du SIRTA. Pourquoi ?
4- quid de l’avis de la CSOA qui a mené un audit lidar en 2011 ?
Le groupe n’est donc pas favorable au financement de ce nouveau lidar.
1. Il est techniquement faisable de construire un Lidar pour l’étude des aérosols, nuages et vapeur d’eau qui fonctionne en continue de manière autonome
24h/24 en dehors des périodes de maintenance. Plusieurs modèles existent déjà qui sont déployés dans d’autres observatoires, tels que Payerne en Suisse,
Cabauw au Pays-Bas. La limitation principale est liée aux performances du Lidar qui varient de manière significative entre le jour et la nuit. Les performances
attendues sont :
• Aérosol : profil de propriétés des aérosols (extinction, paramètres de taille, spéciation) de 0 à 10km avec résolution de 10-min (30-100m de résolution
verticale). L’extinction doit être restituée avec une incertitude de l’ordre de 0.01 km-1.
• Vapeur d’eau : incertitude de 10% ou environ 0.5g/m3 de 0 à 2-3km en moyenne semi-horaire de jour ; 0-10 km de nuit (rapport de mélange de l’ordre de 10100 ppmv à 10km). Les données vapeur d’eau de jour seront donc limitées aux 2-3 premiers kilomètres d’atmosphère.
2. L’instrument proposé est issu d’un développement par un industriel, utilisant des solutions techniques éprouvées. Les spécifications techniques sont données
par un groupe de scientifiques experts en exploitation de mesures Lidar de l’IPSL (LMD, LATMOS). Une étude sera réalisée par la société Gordien Strato pour
proposer des solutions techniques, chiffrer les performances, et les coûts exacts. Les solutions techniques seront ensuite choisies pour s’approcher au mieux
des spécifications techniques tout en restant dans le budget disponible. L’instrument sera ensuite réalisé par un industriel ayant déjà l’expérience de fabriquer
des Lidar sur mesure. Ces phases seront suivies par des ingénieurs instrumentalistes du LMD. Le SIRTA interviendra principalement sur la phase de
fonctionnement et maintenance du Lidar, ayant des personnels déjà expérimentés pour ces tâches. En conclusion, le développement n’est pas assuré par le
SIRTA dont ce n’est pas la vocation. Une équipe de suivi sera mise en place au LMD. De plus,les laboratoires de l’IPSL dans une démarche coordonnée offrent
l’expertise technique pour suivre le développement de ce nouveau lidar. Le SIRTA a suffisamment de personnel technique pour le fonctionnement du lidar une
fois développé.
3. Contrairement à l’impression qu’a eu le TOSCA, la proposition s’appuie largement sur les recommandations du Comité Scientifique du SIRTA.
Le projet scientifique (définition des objectifs) ayant abouti à une définition du cahier des charges (spécifications des performances techniques) est issu de
contributions provenant d’une quinzaine de chercheurs, dont les 2/3 sont déjà des utilisateurs de données SIRTA et la moitié sont dans le conseil scientifique du
SIRTA. Le projet scientifique IPRAL a été discuté plusieurs fois en CS SIRTA. Le compte rendu du CS SIRTA du 15 février 2012 indique que « Implantation de
l'instrument (IPRAL) au SIRTA permettrait de servir une communauté large d’utilisateurs, de profiter de la synergie avec autres moyens de mesures, de
valoriser les observations dans le cadre de réseaux internationaux. » Le CS recommande d’ « obtenir une lettre de soutien de EARLINET / ACTRIS ». Cette
lettre a été jointe au dossier IPRAL examiné par la région IdF.
4. Déjà répondu en août 2011: Jouvence Lidar LNA; intégration dans les réseaux
IPRAL - Retour sur l’évaluation LEFE (dossier IPRAL=50p)
Dans la nouvelle version du projet, le développement d'un nouveau lidar est proposé.
Cet instrument paraît scientifiquement intéressant, étant donné l'importance de
l'observation de la vapeur d'eau dans l'atmosphère et l'apport d'un tel instrument, mais
le CS se pose plusieurs questions des questions concernant
(1) la faisabilité technique:
- Quelle capacité du lidar la nuit et le jour ?
- Quelles contraintes pratiques et en personnel pour un fonctionnement en continu ? Le
SIRTA peut-il bien répondre à ces contraintes ?
- Quelle capacité en présence de nuages bas, moyens, hauts ?
- Un faisceau non dangereux pour l’œil est-il envisageable ? (plutôt que de règlementer
une zone qui ne protège que les hommes).
(2) le contexte de ce développement à l'IPSL et la prise en compte des résultats de
l'audit Lidar: Une réflexion est nécessaire autour de ces techniques Raman pour la
mesure de la vapeur d'eau, de la température ou d'espèces en trace, pour en ressortir
un projet concerté, fédératif au niveau national, et un dossier mieux construit et mieux
justifié.
INSU+CNES demande un nouveau dossier (environ 10 pages)
répondant aux questions de LEFE et TOSCA
Aerosol-cloud dynamic/radiative processes
in stratus-to-fog transitions
and radiative fog
JC. Dupont, M. Haeffelin (IPSL)
ACTRIS Workshop WP 22, 16-17 January 2013
Contact : [email protected]
Low visibility event types
Near-Fog
1km<Visi<5km
Stratus cloud
Stratus lowering
Quasi-Fog
30
Shallow Fog
0
Developed Fog
34
1km<Visi<2km
34
Stratus lowering FOG
Low Visibility Events driven by STRATUS
1km<Visi<5km
Near-Fog
1km<Visi<2km
Quasi-Fog
19
Shallow Fog
20
Developed Fog
14
T(z)
Clear sky
Clear sky
34
Radiative FOG
Low Visibility Events driven by RADIATIVE COOLING
Effect of cloud layer dynamics on stratus-to-fog transition
and feedbacks with droplet properties and surface properties
High pressure system (1025 hPa), very low stratus cloud
Advection: 2.5m/s at 400m Case of stratus lowering due to
surface cooling + lifting due to precipitation
CL31: Cloud
base lowering
450->50m from
12-6UTC
BASTA:
Stratus appears
for Z>-35dBZ at
00UTC. Z
increases to
0dBZ at 7UTC
TPS: > 7UTC:
0.04 mm/h. >
11UTC: 0.03 mm
Correlates with
increased Z
MAST: T: 7ｰ
2°C from 12-6
UTC. Moisture
remains cst
In-situ profiles of droplet size distributions using LOAC
spectrometer on tethered balloon.
At 00 UTC. Z about 35dBZ
Preliminary: In-cloud
DSD peaks near 10 um
(350m AGL)
PARISFOG DATA INTEGRATION
Aerosol profiling
T/RH profiling
S. Pal (LMD), T. Elias
(HYGEOS), M.
Haeffelin (IPSL), JB.
Renard (LPC2E), F.
Burnet (CNRM)
JC Dupont (IPSL),
D. Legain (CNRM)
Wind profiling
JC. Dupont(IPSL), L.
Musson-Genon (CEREA)
E. Dupont (CEREA)
Water profiling
JC Dupont (IPSL),
J. Delanoe (LATMOS)
F. Burnet (CNRM)
Backscatter signal
CL31 ceilometer
ALS450 lidar
Aerosol optical properties
DF20, DF20+ diffusometer
Nephelometer
Aerosol size distribution
Brightness temperature
Hatpro MWR
T/RH in-situ measurement
Tethered balloon (0-300m)
Mast sensors (0-30m)
Radiosounding (0 -25km)
SMPS, CPC, Welas
+ Extinction closure
combining size
distribution and visibility
+ CL31 backscattering
versus visibility and
LOAC on tethered balloon
+ Evaluation of MWR
retrieval with tethered
balloon
+ Analysis of T/RH profile
variability for F and QF
3D wind speed
Sodar PA2,
Doppler lidar WLS7 & WLS70,
UHF radar
3D wind speed
Reflectivity & Dop. velocity
BASTA cloud radar
Dropplet size distribution
FM100
Cup anemometer
Sonic anemometer
Radiosounding
Liquid water content
+ Evaluation of sodar,
WLS and UHF radar
versus in-situ sensors
+ Effect of mast on in-situ
measurement
+ Estimation of LW
vertical profile combining
in-situ and BASTA data
+ Comparisons between
FM100 and PVM
PVM
Microphysics of aerosols-droplets

Dc ~ 2 µm

29/11 : aerosol
hydration w/o
activation
19/11 : hydration
followed by fog
formation
From F. Burnet, (CNRM)
IPRAL - Equipe de recherche
Chercheurs et ingénieurs contribuant
- Aux développements algorithmiques nécessaires à l’exploitation de la mission
- A l’exploitation scientifique de la mission
- A la direction de la mission: cahier des charges de fonctionnement, développements
technologiques, coordination nationale et internationale.
- Au suivi technique de la mission
R™le
Responsab le m iss ion IPRAL
E xp lo itat ion sc ient ifiq ue th m e 2 Òinteract ion nuage a
roso l-vap.ea uÓ
No m
Organ is m e
M . Haeffe li n
IPSL
P. De lvill e
C. Cenac
LM D
LM D
Chef pro je t: e xp ert ise opt ique
Groupe pro jet : e x pe rtise  lec tron ique
E xperts
LA TM O S ,
LM D , L S C E
Sout ien au g roup e pro je t: e xp ert ise L id ar
Equ ipe
SIRTA
L M D/IPSL
En charge du fonct io nne m ent et m a int enance IPRAL
(C. P ietras, F. La pouge, IE b ap C IPSL)
V. Noe l
LM D
S. Turqu ety
L. M enut
LM D
LM D
JC. Dupont
IPSL
C. P ietras
LM D
P. Keckhut
LAT M OS
TBD
M
t
o
France
PI a lgor ith m ie ÒnuageÓ
E xp lo itat ion sc ien tifiq ue th m e
E xp lo itat ion sc ient ifiq ue th m e
E xp lo itat ion sc ient ifiq ue th m e
E xp lo itat ion sc ient ifiq ue th m e
a
roso l-vap.ea uÓ
PI a lgor ith m ie Òaroso lÓ
L ia ison avec EARLINET
PI a lgor ith m ie Òvap eur dÕeauÓ
E xp lo itat ion sc ient ifiq ue th m e
1
3
3
2
Òcirru s-vap. eauÓ
Òtrans port aroso lÓ
Òtrans port aroso lÓ
Òinteract ion nuage -
1 Òcirru s-vap. eauÓ
R esponsa b le exp lo itat ion pou r app li cat ion s MF
Autres chercheurs impliqués dans l’exploitation scientifique d’IPRAL : O. Boucher (LMD; propriétés des contrails);
H. Chepfer (LMD; propriétés des cirrus; préparation EarthCARE); F. Cheruy (LMD; modélisation GCM; lien avec
CNR); M. Chiriaco (LATMOS; modélisation LAM; impacts nuages);