NARVAL Airborne remote sensing of clouds and precipitation ...ipwg/meetings/tsukuba-2014/... ·...

NARVAL Airborne remote sensing of clouds and precipitation for satellite validation with HALO

Mech, M.1, E. Orlandi1, F. Ament2, S. Crewell1, A. Fix3, M. Hagen3, C. Klepp4, and B. Stevens5 1Institute of Geophysics and Meteorology, University of Cologne, 2University of Hamburg, Hamburg, Germany, 3DLR, Oberpfaffenhofen, Germany, 4KlimaCampus, University of Hamburg, Hamburg, Germany, 5Max-Planck-Institute for Meteorology, Hamburg, Germany

7th IPWG Workshop 17-22 Nov. 2014 Tsukuba, Japan contact: mech@meteo.uni-koeln.de

Gulfstream  G550  •  Range  of  10h  /  10000  km  •  Cruise  speed  ~  200  m/s  •  Al=tude    max.  15.5  km  •  Payload    max.  3  t  •  BAHAMAS  for  aircraH  data  •  Dropsondes  •  Belly  pod  for  remote  sensing  sensors  

Microwave  Radiometers  •  26  channels  (22    to  183  GHz)  WALES  lidar  •  Water  vapor  absorp=on  lidar  with  four  wavelengths  Cloud  Radar  •  Pulsed  radiometric  Doppler  radar  at  36  Ghz  (-­‐38  dBZ  sensi=vity  @  5km  range)  

 Passive  MW  +  Radar  =  HAMP  (HALO  Microwave  Package,  Mech  et  al.  ,2014)  

Microwave  Radiometer   Lidar   Cloud  

radar  

South   North  

Mo:va:on  New   cloud   and   precipita=on   observa=on   techniques   are   needed   to   improve   our   understanding   of   the  earth‘s  radia=on  budget  and  water  cycle  –  both  presen=ng  major  challenges  in  global  and  regional  climate  modeling.    With   the  High  Al=tude  and   LOng   range   (HALO)   research  aircraH,   a  plaaorm  exists   that   can  be  equipped  with  a  remote  sensing  suite  to  inves=gate  the  atmosphere  and  its  water  cycle  from  a  new  perspec=ve  and  to  serve  as  a  tool  for  satellite  valida=on  campaigns.    NARVAL  (Next  Genera=on  AircraH  Remote  Sensing  for  Valida=on  Studies)  •  South  (10.-­‐21.  Dec  2013,  8  flights)  over  tropical    and  subtropical  Atlan=c  for  inves=ga=on  of  precipita=on  

in  shallow  mari=me  convec=on  (trades  &  post-­‐frontal  extra-­‐tropics)  •  North   (7.-­‐21.   Jan   2014,   7   flights)   over   the   North   Atlan=c   for   observa=on   of   post-­‐frontal   clouds   and  

precipita=on  in  higher  la=tudes  

HALO  successfully  accomplished  the  NARVAL  campaign  with  its  remote  sensing  suite  on-­‐board  •  18  flights  all  in  all  140  flight  hours  (8  South,  7  North,  3  Germany)  with  ~  95%  data  

coverage  •  125  dropsondes  released  •  Flights  were  successfully  co-­‐located  with  the  A-­‐Train  (Cloudsat  and  Calipso)  and  include  

super-­‐site  overpasses  (JOYCE,  Cabauw,  Mace  Head,…)  •  Preliminary  results  are  very  promising  and  reveal  great  detail  of  shallow  cumulus  clouds  

over  tropical  Atlan=c  and  trade  winds  and  posarontal  convec=ve  clouds,  precipita=on  over  the  cold-­‐season  North  Atlan=c  

•  Data  will  be  available  as  soon  as  calibra=on  and  quality  assessment  is  done    

NARVAL  at  a  glance   Aircra>  &  Instrumenta:on  

Satellite  Comparison  

Summary  &  Outlook  

Acknowledgements  NARVAL  is  a  joint  research  ini=a=ve  by  DLR  Oberpfaffenhofen,  Max-­‐Planck  Ins=tute  for  Meteorology  Hamburg,  University  of  Hamburg,  University  of  Cologne,  University  of  Heidelberg,  University  of  Leipzig,  Research  Centre  Juelich  funded  by  DFG,  MPG  and  DLR.    Plots  on  this  poster  are  provided  by  these  partners.  

References  Mech,  M.,  E.  Orlandi,  S.  Crewell,  F.    Ament,  L.  Hirsch,  M.  Hagen,  G.  Peters,  and  B.  Stevens:  HAMP  –    the  microwave  package  on  the  High  Al=tude  and  LOng  range  research  aircraH  (HALO),  Atmos.  Meas.  Tech.  Discuss.,  7,  4623-­‐4657,  2014.  Mech,  M.,  M.  Maahn,  S.  Kneifel,  P.  Kollias,  E.  Orlandi,  S.  Redl,  and    S.  Crewell,  2015:  PAMTRA  -­‐  passive  and  ac=ve  microwave  radia=ve  transfer  model.  In  prepara=on.  

Modelling  &  Database  &  Retrieval  Retrieval  development  •  Atmosphere-­‐observa=on-­‐database  based  on  CRM  (COSMO  2  moment  cloud  microphysics)  and  PAMTRA  (passive  and  ac=ve  microwave  transfer,  Mech  et  al.,  2015)  simula=ons  

•  Simula=on  chain  validated  with  ground  based  and  satellite  observa=ons  •  Development  of  sta=s=cal  and  varia=onal  retrieval    approaches  

•  High  sensi=vity  of  31,  50,  and  90  GHz  to  liquid  hydrometeors  

•  High  retrieval  capabili=es  for  IWV  and  LWP  •  Good  retrieval  capabili=es  for  T-­‐  and  q-­‐profiles  •  Precipita=on  and  hydrometeor  content  retrievals  by  combining  different  sensors  (sensor  synergy)  like  passive  and  ac=ve  microwave  

Sensi=vity  =  10  g/m2  

Theore=cal  RMSE  =  15  g/m2    

Synergy  Microwave  Radiometer  •  Brightness  temperature  peaks  in  lower  channels  indicate  liquid    water  (emission)  

•  Drops  in  higher  channels  are  due  to  the  ice  phase  (scatering)  

Cloud  radar    •  Gives  insights  about  internal  cloud  structure  

•  Brightband  depicts  mel=ng  layer  

Lidar  •  Detects  cloud  top  boundaries  and  provides  informa=on  about  aerosols    and  water  vapor  at  the  cloud  environment  

Measurements  by  Cloud  radar  and  WALES  for  NARVAL  North  flight:  Complementary  informa=on  from  radar  and  lidar  showing  hydro-­‐meteor  contents  in  the  clouds  and  water  vapor  in  the  surounding  

CloudSat  underpass  flight  of  HALO  for  NARVAL  South:  CloudSat  near-­‐surface  returns  are  oHen  corrupted  by  surface  returns,  shown  here  by  a  band  of  echoes  near  the  surface  (upper  panel).  HALO  cloud  radar  confirms  CloudSat  cloud  structures,  with  strong  precipita=on  reaching  the  surface.  

HALO  flight  track  and  VIS  satellite  composite:    HALO  passed  different  (post)  frontal  cloud  regimes  (enhanced  and  shallow  cumulus)    

Flight  tracks:  NARVAL  South  (leH)  and  North  (right)  flight  tracks    for  all  of  the    15  research  flights  in  December  2013  to  January  2014  over  subtropical  and  tropical    and  the  Northern  Atlan=c.  

Flight  track  of  HALO  and  picture  of  cloud  structure  coincident  with  CloudSat  underpass  flight.  

NARVAL  South  

Measured  brightness  temperatures,  reflec:vi:es  and  IWV  compared  to  retrieved  LWP  and  IWV  

Underpass  flight