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

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

Instruments used for this study 1/2 PI - Network Variables Range Radar nuage doppler BASTA J. Delanoë (LATMOS) ACTRIS Reflectivity (Z ~NxR6) Doppler velocity(~droplet up/down velocity) First door at 40m up to 12km Here, 12.5m mode (up to 200m for cirrus cloud) Ceilometer CL31 M. Haeffelin (IPSL) Meteo-France network Backscatter profile at 905nm Cloud base height 7,5m up to 6km Resolution 15m Microwave radiometer HATPRO JC. Dupont (IPSL) MWRNET, ACTRIS IWV, LWP Vertical profile of T and RH - Doppler lidar WLS7v2 E. Dupont (CEREA) 3D wind speed Range : 40-200m Resolution : 10min & 20m Tethered balloon with M10 sensor LOAC sensor P. Charpentier (MODEM) JB. Renard (LPC2E) T/RH Particle size distribution 0-300m or 0-500m agl 0.2-50µm Diffusometer DF320 Diffusometer PWD22 Horizontal visibility 50m-70km, ground 50m-70km, 20m agl Hotplate TPS 3100 Precipitation rate > 0,05mm/hr

Instruments used for this study 2/2 Ballon 200g gonflé à l’hélium Instruments used for this study 2/2 Parachute de secours FM120 LOAC LOAC Sonde M10 BASTA-3 Treuil

General overview ANALYSER L’ENSEMBLE DES PROCESSUS PILOTANT LES TRANSITIONS STRATUS-BROUILLRD 1 2 3 4 5 (4) Dissipation du brouillard Visi : 200m->4km (5) Formation du brouillard Visi : 4km->200m (2) Dissipation du brouillard Visi : 200m-> 6km (3) Formation du brouillard Visi : 6km-> 200m (1) Persistance du brouillard. Stabilité de la visibilité Visi : 100<->300m BROUILLARD

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 <2.5m/s@100m) 2. Terme source d’humidité lié au refroidissement LW au sommet de la couche relativement constant (DLW~-100 à -150 W/m²) 3. Gouttelettes plus grosses au sommet de la couche de brouillard (pente de Z >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

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<0) 6. Apparition de précipitation faible (PR ~0,13mm/hr) et alternance plus forte up-down draft dans le brouillard (instabilité VD) 7. LWP plus fort (LWP~80 g/m²) mais en baisse (LWP 110  60 g/m²) 2

Phase 3. Question : Comment expliquer la formation du brouillard (08:30-10:30) ? Processus: 3 1. Apparition d’un nuage bas (500m) et peu étendu (15min) 2. Coupure du refroidissement LW au sommet du nuage (quasi-équilibre radiatif, DT 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 (DLW <0) : pente >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

Phase 4. Question : Comment expliquer la dissipation du brouillard (10:30-13:15) ? Processus: 4 1. Apparition d’un nuage bas étendu (500m) 2. Coupure du refroidissement LW au sommet du nuage (quasi-équilibre radiatif, DT 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

Phase 5. Question : Comment expliquer la formation du brouillard (13:15-16:15) ? Processus: 5 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

Conclusions 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 <= 0 and precipitation at the surface Larger droplets reach the surface --> 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 1 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  identify critical values of key parameters (that you should be identified) to anticipate the different phases of fog/low stratus life cycle (formation, development, dissipation) : thèse 2015 DGA/MODEM (recherche étudiant)

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