Process study on a stratus-fog event observed at SIRTA
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Process study on a stratus-fog
event observed at SIRTA
on 6th January 2015
JC Dupont, M. Haeffelin (IPSL)
G. Clain, P. Charpentier, C. Raux (MODEM)
JB. Renard (LPC2E), J. Delanoë (LATMOS)
and SIRTA team for deploiement of tethered balloon
AMA 2015, Toulouse, 19/01/2015 1
Outline
• Instruments used in this study
• Overview
• Stratus-fog transition analysis
Understand processes and feedbacks that are
responsible for transitions between low stratus and fog
FOG FOG FOG
2
Instruments used for this study 1/2
Instruments PI - Network Variables Range
Radar nuage doppler BASTA J. Delanoë (LATMOS) Reflectivity (Z ~NxR6) First door at 40m up to
ACTRIS Doppler velocity(~droplet 12km
up/down velocity) Here, 12.5m mode (up to
200m for cirrus cloud)
Ceilometer CL31 M. Haeffelin (IPSL) Backscatter profile at 905nm 7,5m up to 6km
Meteo-France network Cloud base height Resolution 15m
Microwave radiometer JC. Dupont (IPSL) IWV, LWP -
HATPRO MWRNET, ACTRIS Vertical profile of T and RH -
Doppler lidar WLS7v2 E. Dupont (CEREA) 3D wind speed Range : 40-200m
Resolution : 10min & 20m
Tethered balloon with JC. Dupont (IPSL) 0-300m or 0-500m agl
- M10 sensor P. Charpentier (MODEM) T/RH
- LOAC sensor JB. Renard (LPC2E) Particle size distribution 0.2-50µm
Diffusometer DF320 JC. Dupont (IPSL) Horizontal visibility 50m-70km, ground
Diffusometer PWD22 Meteo-France network 50m-70km, 20m agl
Hotplate TPS 3100 JC. Dupont (IPSL) Precipitation rate > 0,05mm/hr
3
Ballon 200g
gonflé à l’hélium
Instruments used for this study 2/2 Parachute de
secours
FM120
LOAC
LOAC
Sonde
M10
BASTA-3
Treuil
4
General overview
1 2 3 4 5
ANALYSER L’ENSEMBLE DES
PROCESSUS PILOTANT
(4) Dissipation (5) Formation du
(2) Dissipation du (3)
(1) Persistance du brouillard. brouillard du brouillard brouillard
Formation Visi :
Stabilité de la visibilité Visi : 200m-> 6km du
Visi : 100300m 200m->4km
brouillard
LES TRANSITIONS Visi :
4km->200m
BROUILLARD STRATUS-BROUILLRD
Visi : 6km->
200m
5
Phase 1.
Question : Comment expliquer la persistance du brouillard et la stabilité de la visibilité (00:00-04:45) ?
Processus mis en jeu : 1
1. Stabilité de la situation météo au dessus de la couche de brouillard (ciel sans nuage,
humidité faible 10%@1km, forte inversion de température 12°C/km,
advection faible SE 0)
et équilibre entre les processus d’évaporation, de sédimentation (VD ~0m/s)
4. Dynamique nuageuse faible d’où LWP cst (~50g/m²) et précipitation nulle
1
6
Phase 2.
Question : Comment expliquer la dissipation du brouillard (04:45-07:45) ?
Processus : 2
1. Changement de masse d’air (DV : SE SO) + dynamique plus forte (VV : 5m/s@100m)
2. Arrivée d’une masse d’air plus humide et plus froide, Contenu en vapeur d’eau plus
élevé (6,5 8,5 kg/m²)
3. Développement vertical de la couche nuageuse (220 m 400m)
4. Taille des gouttelettes plus importante (Z : -30 -22 dBZ) et homogénéisation de la
distribution en taille sur la verticale (pente de Z ~0)
5. Temps de chute plus loin dans la couche de brouillard d’où un processus de collection des
gouttelettes plus important proche de CBH (pente de Z
Phase 3.
Question : Comment expliquer la formation du brouillard (08:30-10:30) ?
3
Processus:
1. Apparition d’un nuage bas (500m) et peu étendu (15min)
2. Coupure du refroidissement LW au sommet du nuage (quasi-équilibre radiatif, ∆T faible)
3. Coupure brève de l’alimentation en eau du nuage : Z baisse en valeur absolue (-5 dBZ), l’altitude
du sommet baisse (-100m) et contenu en eau liquide baisse (-20 g/m²)
4. Reprise du refroidissement LW (∆LW 0 de Z =>gouttelettes plus grosses au sommet
5. Peu de dynamique nuageuse et évaporation à la base du nuage d’où un refroidissement et un
affaissement du niveau de condensation
6. Affaissement de la base du stratus (80m 50m) et du sommet (280m 150m)
7. Baisse du contenu en eau liquide (70 60 g/m²) avec absence de précipitation (~0,035mm/hr)
8. Formation de brouillard
3
8
Phase 4.
Question : Comment expliquer la dissipation du brouillard (10:30-13:15) ?
4
Processus:
1. Apparition d’un nuage bas étendu (500m)
2. Coupure du refroidissement LW au sommet du nuage (quasi-équilibre radiatif, ∆T faible)
3. Coupure de l’alimentation du stratus bas : Z baisse en valeur absolue (-10 dBZ) et la
concentration en gouttelettes baisse (200#/cm3 50#/cm3)
4. Décollement du stratus (CBH : 50m 125m) et augmentation de la visibilité 0.2 4km
5. Apparition de précipitation dans le système nuageux multi-couches (VD atteint -1,5m/s)
mais évaporation avant la surface car précipitation nulle.
6. LWP max de 150 g/m² à 13:00 et le système nuageux devient mono-couche (stratus 500m -
1000m)
4
9
Phase 5.
Question : Comment expliquer la formation du brouillard (13:15-16:15) ?
5
Processus:
1. Le stratus est monocouche (le refroidissement LW au sommet devient clé et moteur comme
terme source d’eau)
2. Assèchement de la masse d’air (IWV : 17 kg/m² 11 kg/m² entre 13:00 et 15:00) d’où baisse du
sommet du stratus (500 m 300 m).
3. Gouttelettes plus grosses au sommet du stratus d’où une forte pente >0 de Z
4. Concentration en gouttelettes plus forte au sommet du stratus (>30µm)
5. Evaporation à la base stratus, refroidissement et baisse du niveau de condensation et donc de la base
du stratus (140m 50m) d’où formation de brouillard.
5
10Conclusions
Stratus/fog LWP depend on radiative cooling, in-cloud turbulence and
microphysics, sedimentation flux and advection.
Stratus lowering (transition to fog) driven by
●
Increased LW cooling at top: Reflectivity slope > 0; dry conditions above Stratus top
●
Small droplets at Stratus base: Reflectivity slope > 0, and No precipitation at the surface
●
Evaporation of droplets below Stratus base --> cooling, moistening of subcloud layer,
mixing and coupling with surface
●
LCL lowers progressively and Stratus base lowers --> FOG
Stratus base rising (transition from Fog to Stratus) driven by
●
Reduced LW cooling at top: other clouds above Stratus
●
Larger droplets at Stratus base: Reflectivity slope water sink (10-100 g/m2/hr)
Both transitions also affected by
●
Advection: moistening/cooling or warming/dry of air mass
●
In-cloud turbulence : water sink
●
Vertical depth of fog H : surface induced turbulence affect a fraction of H (0.5 to 111 H)Perspectives
Technical and observationnal perspectives
– Document several other fog event with tethered balloon to have more data (particle
size distribution, T/RH) : (1) in fog and low stratus cloud layer, (2) below cloud base, and (3)
above cloud/fog top.
Algorithm perspectives using vertical profiles of in-situ sensor
●
Validate BASTA cloud radar retrieval (drop/droplet size and concentration),
●
Validate automatic lidar and ceilometer retrieval (ambient aerosol size and concentration),
●
Validate HATPRO microwave radiometer (T/RH profiles before, during and after fog event),
in the framework of ACTRIS WP22 for (i), TOPROF WG1 for (ii), and TOPROF WG3
for (iii).
Process study perspectives
●
Continue process analysis with a large dataset of observations at SIRTA site (case study and
statistics) ;
●
Compare sensibility tests and process analysis with LES or 1D modelling on low-stratus and
fog versus observations : PhD M. Mazoyer for 1D
●
Understant liquid water fluxes (precipitation, evaporation, column, profiles) for stratus-fog
transition
●
Understand aerosol growth (size, chemistry, cooling, mixing) for radiative fog
12Thanks for your attention….
… questions ?
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