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Stratéole Phase 2
Campagne de ballons longue durée en haute troposphère/basse stratosphère équatoriale
Résumé
Ce document présente le contexte et les objectifs scientifiques de la campagne expérimentale Stratéole Phase 2. Cette campagne est destinée à obtenir des informations à moyenne et petite échelle sur les processus dynamiques et microphysiques et leurs interactions, ainsi que sur les mécanismes de transport dans la haute troposphère et basse stratosphère équatoriale. Elle s'inscrit également dans le cadre de la validation du satellite Aeolus de l'Agence Spatiale Européenne. Elle vise enfin à estimer la qualité des analyses météorologiques dans cette région de l'atmosphère, et plus généralement à déterminer l'impact d'observations nouvelles sur l'amélioration de ces analyses. La campagne d'observations reposera principalement sur le déploiement en 2 phases successives séparées d'une année d'une flotille d'une vingtaine de ballons pressurisés à partir d'une station équatoriale à déterminer. Ces ballons, dont l'instrumentation est présentée dans ce document, peuvent rester plusieurs mois en vol dans l'atmosphère. Ils sont également de très bons traceurs du vent horizontal, ce qui constitue une propriété remarquable pour l'étude des mécanismes de transport.
Coordinateur : Albert Hertzog (LMD)Cocoordinateurs : François Vial et Claude Basdevant (LMD)
mots-clés
Tropopause équatoriale, TTL1, ondes, transport, nuages, déshydratation, ballons longue durée
1 Nous adopterons dans ce document la définition de Sherwood et Dessler (2000) : "The Tropical Tropopause Layer (TTL), region of the tropical atmosphere extending from the zero net radiative heating level (355 K, 150 hPa, 14 km) to the highest level that convection reaches (420450 K, 70 hPa, 1820 km). The TTL can be thought as a transition layer between the troposphere and the stratosphere."
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Introduction
La composition chimique de la moyenne atmosphère (stratosphère et mésosphère) à l'échelle globale est fortement contrainte par les processus dynamiques ou microphysiques et les mécanismes de transport dans la région de la tropopause équatoriale. En effet, la tropopause équatoriale constitue la porte d'entrée vers la stratosphère2 de tous les constituants chimiques troposphériques, qu'ils soient ou non émis par les activités humaines (Holton et al., 1995 ; WMO, 2006). Parmi ces constituants, l'eau subit des changements de phase dans cette région qui déterminent en grande partie l'humidité de l'air stratosphérique (Brewer, 1949) et modifient le bilan radiatif de la Terre (Su et al., 2006). La tropopause équatoriale est également une région de fort couplage dynamique entre la troposphère et la stratosphère : les ondes troposphériques d'échelle planétaire (ondes de Kelvin, de Rossbygravité, etc.) ou de moyenne et petite échelles (ondes de gravité), principalement engendrées par la convection profonde, se propagent à travers la tropopause et forcent l'oscillation quasibiennale (QBO) en stratosphère équatoriale. La QBO est ellemême en partie responsable de la variabilité interannuelle de la destruction de l'ozone polaire (Holton et Tan, 1980 ; Baldwin et al., 2001).Cependant, de nombreuses incertitudes demeurent sur les mécanismes physiques, dynamiques ou chimiques présents dans cette région, ainsi que sur l'importance relative de chacun d'eux. Les observations actuelles, bien qu'en amélioration constante, n'ont pas encore la résolution ou la précision nécessaire pour aborder les processus fondamentaux de cette région de l'atmosphère, et surtout, ils ne permettent toujours pas de résoudre les liens entres ces différents processus, et donc de confirmer les modèles théoriques proposés ou de valider les simulations numériques. Ainsi, par exemple, une grande avancée dans notre connaissance récente de la tropopause équatoriale est liée aux observations des nuages fournies par les lidar spatiaux (Glas sur ICESat et Caliop sur Calipso). Cependant, pour GLAS comme pour Calipso (qui est placé sur une orbite héliosynchrone), l'échantillonnage des régions équatoriales où le cycle diurne est très important est assez partiel, et d'autre part, ces lidar ne permettent pas directement d'observer la dynamique ayant conduit à la formation des nuages qu'ils observent.L'objet de ce document est donc de proposer une campagne spécifique d'observation de la tropopause équatoriale reposant en grande partie sur l'utilisation de ballons pressurisés. Ces ballons présentent en effet plusieurs caractéristiques qui les distinguent des moyens d'observations classiques, et les informations recueillies lors des vols sont pour une large part complémentaires de celles actuellement à notre disposition : ces ballons permettent tout d'abord d'effectuer des vols de longue durée (plusieurs mois). Comme ils sont transportés par le vent, ils fournissent des informations à l'échelle globale, rencontrent donc tout type de situation météorologique, survolent tout type de terrain, et échantillonnent l'ensemble du cycle diurne. Les observations obtenues lors d'une campagne sont donc représentatives de l'atmosphère dans son ensemble et ne comportent pas de biais a priori.
2 tout au moins la partie de la stratosphère située audessus de l'isentrope 380 K.
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les moyens modernes de positionnement et de communication (GPS, Irridium) permettent de localiser les ballons à tout moment, et de transmettre des flux de données importants entre les ballons et les stations sol. Aussi, les observations peuvent être effectuées à fréquence relativement élevée (de l'ordre de la min), ce qui assure une bonne résolution des processus dynamiques importants. Associée à la longe durée, cette fréquence d'observation permet également un échantillonnage unique de l'atmosphère. La figure 1 illustre par exemple l'échantillonnage de l'Antarctique obtenue lors de l'expérience Vorcore en 2005 avec une flotille de 27 ballons pressurisés (Hertzog et al., 2007). Ces ballons sont également d'excellents traceurs du vent horizontal (Vial et al., 2001). Ils effectuent ainsi des observations dites quasilagrangiennes, c'estàdire qu'ils suivent les masses d'air au cours de leur déplacement et permettent ainsi de documenter les changements des caractéristiques physique ou chimique de ces masses d'air en lien avec la dynamique et le transport. En adaptant la taille du ballon et la masse de la charge utile, plusieurs niveaux de vols sont disponibles (typiquement entre 50 et 85 hPa). La campagne pourra ainsi documenter des aspects plus stratosphériques, ainsi que des processus se produisant au sommet de la TTL ou à la tropopause.Les ballons emporteront des charges utiles scientifiques qui effectueront des mesures insitu des variables météorologiques (température, pression, vent), de composés chimiques (eau, ozone) et du contenu en aérosols. D'autre part, des instruments de télédétection pour la mesure sous le ballon de la température et des nuages seront également embarqués.La campagne Stratéole phase 2 se distinguera des campagnes d'observations récentes de la troposphère et la stratosphère intertropicale, en ce sens qu'elle s'attachera principalement à documenter les différents processus agissant à proximité de la tropopause équatoriale (alors que lors de la campagne Hibiscus, la majeure partie des observations a été obtenue à 22°S) et qu'elle fournira une vision globale de ces processus (alors qu'AMMA qui était centrée sur la mousson africaine).
Le document présente dans la première partie l'ensemble des thématiques scientifiques que cette
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Figure 1 : Ensemble des 150 000 observations collectées audessus de l'Antarctique pendant la campagne Vorcore en 2005. 27 ballons pressurisés avaient été lâchés pendant cette campagne, et la résolution temporelle des observations était de 15 min (contre 1 min pour la campagne proposée dans ce document).
campagne permettra d'aborder. Pour chaque thématique, un bref rappel de l'état actuel de nos connaissances sera effectué, puis nous présenterons les apports attendus de la campagne Stratéole Phase 2. La deuxième partie du document reviendra plus en détail sur la campagne proprement dite et les instruments embarqués seront plus amplement décrits. Le soutien demandé au programme LEFE/CHAT ainsi que la liste des équipes scientifiques impliquées dans le projet seront enfin détaillés.
1. Thématiques scientifiques et apport de Stratéole/Phase 2
1.1 Transport et assèchement des masses d'airBien que nos connaissances aient très largement évoluées depuis l'article fondateur de Newell et GouldStewart (1981) proposant la notion de « fontaine stratosphérique » pour expliquer la très faible humidité régnant dans la stratosphère, il est encore difficile de se faire une image précise, réconciliant l'ensemble des observations et simulations, des mécanismes conduisant à l'assèchement des masses d'air lors de leur ascension vers la stratosphère. Ainsi des simulations numériques récentes, basées sur le calcul de trajectoires des masses d'air à partir des champs de vent issus d'analyses opérationnelles, semblent attribuer un rôle prépondérant au transport horizontal de grande échelle, associé à une ascension lente des masses d'air audessus de l'altitude moyenne du sommet des nuages vers 14 km3 (Bonazzola et Haynes, 2004 ; Füglistaler et Haynes, 2005 ; Füglistaler et al., 2005). Ces études sont donc essentiellement en accord avec le mécanisme de piège froid proposé par Holton et Gettelman (2001), dans lequel le passage de la masse d'air à la tropopause équatoriale (et donc son entrée dans la stratosphère) était décorrélé de l'endroit où le contenu en vapeur d'eau de cette masse d'air avait été fixé (le point le plus froid rencontré le long de la trajectoire de la masse d'air).D'un autre côté, les premiers résultats de l'expérience AMMA en 2006, ainsi que les observations réalisées par le lidar GLAS sur ICESat semblent accorder un rôle plus important aux mouvements verticaux rapides associés à la convection profonde : soit que la convection pénètre directement dans la stratosphère (Dessler et al., 2006a), à la manière du mécanisme d'assèchement initialement proposé par Danielsen (1982) ; soit qu'elle favorise, par un mécanisme encore indéterminée, la formation des cirrus fins dans la TTL (Dessler et al., 2006b).Le flux de masse global associé à ces pénétrations convectives est également sujet à controverses, les dernières observations semblant indiquer des flux plus importants que ceux considérés jusqu'alors (Dessler et al., 2006a). De même, on ne sait toujours pas si ces pénétrations ont préférentiellement lieu sur l'océan (Rossow et Pearl, 2007) ou sur les continents (Liu et Zipser, 2005), ou même si elles contribuent plutôt à humidifier (Jensen et al., 2007 ; Chaboureau et al., 2007) ou à assécher la stratosphère (Danielsen, 1982).
L'utilisation de porteurs quasilagrangien capables, en l'absence de mouvements verticaux
3 c'estàdire dans la TTL.
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importants, de suivre les masses d'air au moins sur quelques jours (Hertzog et al., 2007) devraient nous permettre d'apporter des éléments de connaissance significatifs sur ce problème de ventilation de la stratosphère. En effet, nous prévoyons d'effectuer des mesures insitu de vapeur d'eau sur les ballons qui voleront au plus près de la tropopause (cf. Description technique de la campagne). Aussi, si les phénomènes d'ascension lente d'origine radiative prédominent, les ballons seront d'excellents traceurs des mouvements des masses d'air, et le contenu en vapeur d'eau de la masse d'air suivie par le ballon devrait également évoluer lentement. Au contraire, dans le cas de déplacements verticaux d'origine convective importants (déplacements que les ballons ne pourraient pas suivre), le contenu en vapeur d'eau de la masse d'air dans laquelle se trouve le ballon subira lui aussi des modifications rapides. Il sera alors en outre possible de déterminer si ces mouvements verticaux ont plutôt tendance à assécher ou à humidifier la stratosphère. Rappelons enfin que grâce aux vols longue durée permis par les ballons pressurisés, nous devrions obtenir un échantillonnage représentatif de l'ensemble de la bande équatoriale, incluant à la fois les surfaces continentales et les océans (cf. Vial et al. (2001) qui montrent les trajectoires obtenues en 1998 dans cette même région), et donc pouvoir fournir une estimation à l'échelle globale de ces processus.En complément de ces mesures de vapeur d'eau, les ballons emporteront également un capteur pour la mesure insitu de l'ozone, qui est un traceur à longue durée de vie à proximité de la tropopause4. Nous pourrons ainsi analyser simultanément les fluctuations d'ozone et de vapeur d'eau, ce qui devraient nous permettre de confirmer la présence (ou non) de mouvements verticaux importants de la couche limite (où le rapport de mélange d'ozone est plus faible qu'à proximité de la tropopause) vers le sommet de la TTL et la basse stratosphère. C'est notamment en analysant ce type de corrélations que Sherwood et Dessler (2000) ont suggéré l'existence d'une zone de transition entre la troposphère et la stratosphère équatoriale.Un des aspects jusqu'ici négligé des différentes études des mécanismes d'assèchement des masses d'air est l'effet des petites échelles, en particulier des fluctuations de température produites par les ondes de gravité engendrées par la convection profonde : que ce soit dans les études de trajectographie, ou dans celles basées sur les observations spatiales par lidar, la résolution spatiotemporelle est trop lâche pour résoudre ces mouvements. Pourtant, plusieurs études ont déjà suggéré que ces mouvements ondulatoires pouvaient avoir un impact important (Potter et Holton 1995 ; Boehm et Verlinde, 2000 ; Jensen et al., 2001 ; Jensen et Pfister, 2004 ; Garrett et al., 2004, 2006). Dessler et al., (2006b) reconnaissaient d'ailleurs :« At the present time, we cannot determine the relative importance of in situ formation during wavedriven lowtemperature excursion vs. direct injection of cloud material by convection on the Thin, NearTropopause Cirrus distribution. It seems likely that both mechanisms are working, to some extent, but understanding the exact balance is crucially important. »L'observation lors des vols ballons des variables météorologiques à la fréquence de 1 min permettra de résoudre explicitement les ondes de gravité, et d'étudier leur lien avec la convection profonde. L'utilisation conjointe des ces mesures météo et des mesures de vapeur d'eau et d'ozone constitue l'une des forces de cette campagne, car elle permettra directement d'étudier le lien entre la convection profonde d'une part, et la dynamique petite et moyenne échelle, ainsi que la physique de
4 en l'absence toutefois de production d'oxydes d'azote par les éclairs.
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la TTL d'autre part. Enfin, en sus de ces mesures insitu, certains ballons seront équipés d'un lidar pour la mesure des nuages et des aérosols sous le ballon. Ces profils permettront de documenter la structure des cirrus et leur lien avec l'activité convective à l'échelle du globe dans la TTL pendant la campagne. Nous travaillons également avec l'Université de Purdue (USA) pour développer un système de radiooccultation par GPS afin d'obtenir un profil de température sous le ballon. Cet instrument léger équipera le plus grand nombre de ballons possible, et fournira ainsi des informations complémentaires au mesures insitu, permettant par exemple de documenter la différence d'altitude entre le ballon et le point du profil le plus froid. Nous avons également pris contact avec le NCAR afin d'emporter également des nacelles « driftsondes » permettant de faire des radiosondages (pression, température, vent, humidité) sous les ballons pendant les vols. L'emport de cette charge utile sera à confirmé dans les prochains mois.
1.2 NuagesLes nuages constituent le deuxième aspect du problème posé par la compréhension de la régulation de la vapeur d’eau atmosphérique et de son transfert entre la troposphère et la stratosphère. En effet, l’assèchement d’une masse d’air se produit par la condensation de vapeur en cristaux de glace et donc la formation de nuages, suivi par la sédimentation des cristaux. La condensation ayant principalement lieu à la suite d’une exposition à de basses températures (Sect. 1.1), il est traditionnellement admis que ces nuages sont présents à proximité de la tropopause intertropicale. Les zones principales d’assèchement étant encore mal définies géographiquement et temporellement, l’observation de tels nuages et de leurs propriétés fournit des indices importants pour mieux comprendre les mécanismes de régulation de la vapeur d’eau à l’interface tropostratosphère (Immler et al., 2007). Ainsi, l’importance relative du transport à grande échelle et des processus de convection rapide se traduira par des variations dans la distribution spatiotemporelle d’épaisseur optique ou de contenu en glace dans les nuages de glace tropicaux. L’impact des espèces chimiques stratosphériques sur la formation de ces nuages et donc la déshydratation troposphérique reste également à déterminer (Chepfer et al., 2007).Les études récentes de ces phénomènes, par observations insitu (Peter et al., 2003) ou satellite (Dessler et al., 2006b) révèlent la présence de cirrus subvisibles et ultrafins proches de la tropopause tropicale ; néanmoins, la relation entre ces nuages et les processus de déshydratation dépendent fortement des variables thermodynamiques et des conditions atmosphériques et restent à déterminer (Füglistaler et Baker, 2006), y compris l’impact de l’historique des variations de concentrations d’aérosols sur des échelles de temps multiples. Par ailleurs, l’impact des perturbations atmosphériques provoquées par les ondes de gravité sur la formation de cirrus, et donc leur potentiel en terme d’assèchement, sont encore mal connues.Dans ce contexte, l’installation d’un lidar sur plusieurs des ballons de la campagne Stratéole (Sect. 2.2) permettra de documenter les propriétés d’extinction et de contenu en glace des nuages survolés, et de les corréler avec les observations de température (Hertzog et al., 2007) et d’humidité relative, aidant dans un premier temps à 1) évaluer statistiquement l’impact de la sur ou soussaturation en vapeur d’eau sur la formation nuageuse et 2) quantifier l’importance des ondes de
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gravité sur la déshydratation. Dans un deuxième temps, la corrélation des observations lidar à celles de capteurs aérosols insitu permettra de quantifier l’impact de leur distribution en taille sur la rapidité des processus de nucléation responsables de l'assèchement des masses d'air. La sensibilité verticale du lidar permettra d’identifier les zones d’activation des aérosols, et donc les processus de formation dominants. La mesure de la polarisation lumineuse permettra d’obtenir une information sur la forme des cristaux présents dans le nuage, et d’identifier la présence éventuelle d’acide nitrique dans les cristaux de nuages en formation (Voigt et al., 2007), un indice important du rôle des cirrus dans la régulation des processus de chimie stratosphérique.
1.3 DynamiqueL'oscillation quasibiennale est le phénomène dominant de la dynamique de la basse stratosphère équatoriale. Le mécanisme produisant cette oscillation est aujourd'hui bien connu : un ensemble d'ondes d'échelle planétaire (en particulier onde de Kelvin et de Rossbygravité) et de plus petites échelles (ondes de gravité) interagissent avec l'écoulement moyen de grande échelle (principalement lorsque les ondes rencontrent des « niveaux critiques ») et lui cèdent leur quantité de mouvement, agissant comme un force externe sur cet écoulement (Lindzen et Holton 1968, Holton et Lindzen 1972). Cependant, le rôle respectif des ondes planétaires, résolues par les modèles de circulation générale (GCM) ou de chimie climat, et des ondes de gravité, non résolues par ces mêmes modèles (mais dont l'effet est « paramétrisé »), demeurent mal évalué. L'étude de Dunkerton (1997) attribue aux ondes de gravité une part plus importante dans le forçage de l'écoulement moyen que celle qui lui était jusqu'alors accordée. Le travail que nous avons effectué à partir de trois vols ballon longue durée équatoriaux semble confirmer ce point de vue (Hertzog et Vial, 2001). Connaître précisément la contribution des différents types d'ondes est d'autant plus important que la principale source de ces ondes est la convection profonde5, dont l'intensité et la structure à grande échelle devrait subir des changements significatifs au cours des prochaines années en réponse à l'augmentation séculaire des gaz à effets de serre (WMO, 2007). Dans ce cadre, l'article de revue de l'initiative SPARC destinée à la comparaison des différents modèles de chimieclimat (Eyring et al., 2006) notait :« A major issue with GCMs of the middle atmosphere is the treatment of gravity waves. [...] [Gravitywave] parameterizations vary significantly among the models. [...] Currently a limitation of the gravitywave schemes in the models used in this study is that their source spectrum is specified externally and does not evolve in time in response to a changing climate. »En particulier, le tableau descriptif des modèles utilisés dans cette revue mentionnait qu'uniquement 3 des 13 modèles comparés produisaient spontanément une oscillation du vent zonal similaire à la QBO. Nous pouvons également rappeler que la période de l'oscillation quasibiennale (actuellement 27 mois) est totalement contrôlée par l'intensité des ondes produites en troposphère, et qu'il n'existe à l'heure actuelle aucune certitude sur la stabilité de cette période au cours du prochain siècle.
À l'instar des campagnes précédentes (Vial et al., 2001 ; Hertzog et Vial, 2001 ; Hertzog et al., 2002 ; Vincent et al., 2007), la campagne StratéolePhase 2 documentera à l'échelle globale
5 ainsi que les cyclones, mais pour une part largement inconnue.
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l'activité des ondes planétaires et des ondes de gravité. En particulier, nous avons montré que les ballons pressurisés permettaient de quantifier le flux de quantité de mouvement transporté par les ondes (Hertzog et Vial, 2001 ; Vincent et al., 2007), qui est le paramètre clé régissant l'interaction entre les ondes et l'écoulement moyen. Nous pourrons ainsi fournir des informations précises sur le rôle respectif des différents types d'ondes dans la génération de la QBO. Nous serons également en mesure de documenter la variabilité de l'activité des différents types d'ondes dans une gamme d'échelle de temps allant de l'heure à quelques mois. En particulier, nous nous attacherons à décrire le cycle dirune de l'activité des ondes de gravité. Cette « intermittence » est aussi un paramètre entrant dans certaines paramétrisations des ondes de gravité, mais qui n'est jusqu'ici que très peu contraint par les observations.Afin de contribuer à améliorer les paramétrisations des ondes de gravité, nous couplerons les observations avec des simulations numériques à mésoéchelle. De telles simulations ont déjà été effectuées au LMD pour exploiter la campagne Vorcore (Teitelbaum et al., article à soumettre en octobre 2007). La diversité des situations météorologiques rencontrées devraient nous permettre de sélectionner quelques cas d'études représentatifs (par exemple, convection océanique ou continentale). Nous pourrons aussi étudier les processus fondamentaux responsables de la génération des ondes et identifier les systèmes convectifs les plus propices à produire ces ondes. Le modèle de circulation générale de l'atmosphère du LMD (LMDz) sera enfin utilisé pour évaluer les paramétrisations actuelles des ondes de gravité, que nous pourrons éventuellement adapter sur la base des observations recueillies lors de la campagne et des simulations à mésoéchelle.Nous étudierons enfin l'effet de ces ondes sur les processus d'assèchement des masses d'air. Les observations ballon devraient en effet nous permettre de caractériser les fluctuations de température produite par ces ondes : amplitude, probabilité d'apparition, lien avec la convection, période des oscillations, taux de refroidissement et de chauffage, etc. Nous serons alors en mesure de simuler de la manière la plus réaliste possible ces perturbations et d'étudier par exemple l'inclusion de tels effets dans les études de trajectographie du type de celles réalisées par Bonazzola et Haynes (2004) et Füglistaler et al. (2005).
1.4 Modélisation opérationnelleUne des raisons expliquant les nombreuses incertitudes relevées précédemment est liée au fait que l'équilibre quasigéostrophique, qui explique l'essentiel de la circulation des moyennes latitudes, n'est plus l'équilibre dominant aux échelles pertinentes pour la dynamique équatoriale. En particulier, cet équilibre est utilisé pour relier le champ de température observé par les capteurs satellitaires (type AMSU ou IASI) au champ de vent, et donc à la dynamique et au transport. Plus l'on se rapproche de l'équateur et plus ce lien disparaît. Aussi, les champs de vent équatoriaux dans les modèles opérationnels sont peu contraints par les observations satellitales et dépendent plus des observations insitu comme les radiosondages (Bengtsson et al., 2004). Or le réseau de station de radiosondages est assez lâche dans cette région, et très biaisé par les régions continentales, ce qui n'est pas sans conséquence sur la précision des champs de vents équatoriaux (Hamilton et al., 2004, Christensen et al., 2007). Nous avons de même montré à partir d'observations réalisées en 1998 que même des phénomènes d'échelle planétaire semblaient être totalement ignoré par les analyses
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opérationnelles (Vial et al., 2001). Or, ces analyses (ou réanalyses) sont utilisées de manière intensive pour calculer les trajectoires des particules d'air et étudier les mécanismes d'assèchement dans la TTL.Les modèles et les systèmes d'assimilation ont certes évolué de façon significative depuis ces dernières années : par exemple, MongeSanz et al (2007) semblent montrer une nette amélioration de la représentation de la circulation de BrewerDobson dans le modèle opérationnel du centre européen. Néanmoins, le système d'observation globale est demeuré essentiellement le même au cours de la même période et présente donc toujours les même lacunes pour la modélisation de la dynamique équatoriale.
Il nous paraît donc important de pouvoir estimer à l'aide d'observations indépendantes la précision des champs de vent équatoriaux, et en particulier de vérifier l'hypothèse de biais statistique nulle sousjacente dans les modèles de trajectographie. Les observations réalisées sous ballons longue durée sont bien adaptées à ce type d'étude : les mesures météorologiques insitu sont d'une précision comparable (ou même meilleure) à celles effectuées sous radiosondages et sont réparties sur de vastes zones géographiques (Hertzog et al., 2004 ; Hertzog et al., 2006). En particulier, les régions océaniques (où les observations de vent en altitude sont généralement rares) sont couvertes de la même manière que les surfaces continentales. Les comparaisons entre les champs observés et analysés ne sont donc pas influencées par l'assimilation des observations continentales et permettent donc de fournir une estimation indépendante et nonbiaisée de la précision des analyses.Par ailleurs, la dynamique de la stratosphère équatoriale a ceci de particulier qu'elle est en grande partie contrôlée par l'interaction des ondes avec l'écoulement moyen. Aussi, l'assimilation d'observations résolvant explicitement ces mouvements ondulatoires contribue non seulement à améliorer l'analyse au niveau des observations, mais aussi dans une zone de plusieurs kilomètres audessus des observations. En effet, les observations à une altitude donnée permettent au modèle de mieux reproduire les conditions de propagation des ondes, et donc la dynamique audessus des observations (Gaspari et al., 2006). Des premières études montrant ces résultats ont notamment été entreprises par S. Pawson6 (Global Model and Assimilation Office, NASA) sur la base de 3 vols longue durée effectués en 1998 à l'équateur. Nous utiliserons donc la campagne Stratéole Phase 2 pour faire des expériences d'assimilation des observations réalisées sous ballons longue durée et tester l'impact de ces observations sur la qualité des analyses.Enfin, en collaboration avec K. Hamilton (University of Hawaii), nous comparerons les observations des ballons avec les simulations numériques les plus détaillées de l'atmosphère moyenne qui sont produites par le « Earth Simulator » au Japon. Nous nous attacherons en particulier à déterminer le caractère réaliste des fluctuations de petites et méso échelles dans ces simulations.
1.5 Validation ADMAeolusLe satellite ADMAeolus de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) est destiné à effectuer pour la première fois des mesures de vent à partir d'une plateforme spatiale en utilisant un sondeur basé
6 S. Pawson est également associé à ce projet.
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sur la technologie lidar. L'Agence prévoit actuellement la lancement du satellite à la mi2009, ce qui devrait donc être en phase avec la campagne de vols ballon que nous proposons. Une des motivations principales ayant procédé au choix de mission par l'ESA est justement le déficit d'observation du vent dans le système d'observation météorologique globale, et en particulier le besoin majeur de ce type d'observations à proximité de l'équateur.
Nous proposons donc d'utiliser les vols qui seront réalisés lors de la campagne Stratéole Phase 2 pour valider les vents mesurés par Aeolus. Cette campagne basée sur des vols ballons pressurisés de longue durée aura l'avantage de permettre une validation des produits satellitaires sur toute la bande équatoriale, quelle que soit la situation météorologique survolée. La campagne permettra également d'étudier spécifiquement dans cette région équatoriale fortement soumise à l'activité ondulatoire le lien entre la projection du vent total dans la ligne de visée fournie par le satellite et les deux composantes du vent horizontal observées par les ballons. En particulier, nous serons en mesure de déterminer l'effet des fluctuations de petites et moyennes échelles sur la précision du vent fourni par Aeolus. Enfin, les ballons pressurisés constitueront l'un des seuls moyens d'estimation de la qualité des produits satellitaux en stratosphère.Typiquement, pour une campagne similaire à Vorcore en terme de nombre d'observations7, et comptetenu des caractéristiques de l'orbite du satellite Aeolus, le nombre de coïncidences entre les observations du satellite et celles des ballons devraient être de l'ordre de 450 pour chaque phase de la campagne Stratéole Phase 28. Ce nombre de coïncidences permettra une caractérisation statistique de la précision de restitution du vent par Aeolus. Les observations ballons permettront enfin d'estimer la variabilité petite échelle de l'atmosphère et donc de quantifier la part de désaccord entre les observations ballons et satellitales dues à la noncolocalisation des deux mesures.
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7 ce qui constitue plutôt une sousestimation, le CNES ayant amélioré la fiabilité des ballons pressurisés.8 Ce nombre est obtenu en supposant les ballons répartis autour de l'équateur et en considérant uniquement les
passages du satellite à l'équateur situés à moins de 300 km d'un ballon.
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(ICESat)/Geoscience Laser Altimeter System (GLAS), J. Geophys. Res., 111, D12215, 2006a.Dessler et al., Tropopauselevel thin cirrus coverage revealed by ICESat/ Geoscience Laser Altimeter System, J.
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2. Description technique de la campagne
2.1 Déroulement de la campagneNous prévoyons d'effectuer la campagne d'observations en deux phases successives, séparées d'environ un an, afin d'étudier la variabilité de la dynamique de la basse stratosphère associée aux deux phases de l'oscillation quasibiennale. Comptetenu des développements instrumentaux et des contraintes de la division ballon du CNES, ces deux campagnes peuvent avoir lieu en 2010 et 2011.Nous prévoyons également de faire précéder ces deux campagne, d'une précampagne technologique, principalement destinée à qualifier en longue durée les instruments qui ne le seraient pas encore à cette date. Nous détaillons cidessous, à titre indicatif, le déroulement de ces différentes campagnes ; le nombre d'instruments de chacune des campagnes dépendra néanmoins des financements effectivement perçus par les différentes équipes. Les développements instrumentaux des équipes françaises seront a priori financés par le CNES et l'INSU. Les équipes étrangères chercheront auprès de leurs agences nationales le financement requis. 2009, précampagne Les instruments nonqualifiés en longue durée le seront à l'occasion de cette précampagne, qui pourra avoir lieu en France avec des vols de quelques jours audessus de l'océan Atlantique pendant l'été. Cette campagne permettra également de vérifier l'intégration (mécanique et électronique) des instruments dans la nacelle longue durée du CNES.
2010/2011, campagnes scientifiquesLes campagnes scientifiques se dérouleront en 2010 et 2011 depuis une station équatoriale. Des études sont en cours pour déterminer les stations permettant de réaliser les objectifs scientifiques du projet. Néanmoins, la distribution des cirrus observés par lidar (Dessler et al, 2006b), la climatologie de la QBO (Dunkerton et Delisi, 1985), ainsi que les trajectoires simulées des ballons poussent à utiliser une station la plus proche de l'équateur possible (typiquement entre 5°N et 5°S). La période de lâcher dépendra également de la station choisie, mais elle sera adaptée pour documenter l'été d'un des deux hémisphères afin d'étudier la convection profonde.Une vingtaine de ballons seront lâchés lors de chacune des deux phases de la campagnes. Deux configurations type de vols seront adoptées : vols en basse stratosphère (vers 50 hPa) : mesures météo insitu et GPS pour la dynamique sur tous les vols, lidar pour la détection des nuages. vols dans la TTL : mesures météo insitu et GPS pour la dynamique sur tous les vols, mesures d'espèces chimiques (vapeur d'eau et ozone) et compteur d'aérosols.Le nombre de vol, la composition précise des chaînes de vol ainsi que le niveau de vol des ballons feront l'objet de discussion entre tous les partenaires du projet lors d'une réunion qui sera organisée fin 2008, début 2009. Cependant, les instruments pressentis pour la campagne ont tous une masse inférieure à 5 kg, ce qui permettra de composer des chaînes de vols avec plusieurs instruments. Au cours de cette réunion, nous étudierons également l'utilisation que nous ferons des observations effectuées par les réseaux d'observations existants, ainsi que l'utilité de campagnes sol associées.
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2.2 BallonsLes ballons que nous utiliserons pendant cette campagne sont des ballons pressurisés. Ces ballons sont sphériques et gonflés à l'hélium. L'enveloppe des ballons est fermé et rigide, et le gaz à l'intérieur de l'enveloppe est en règle générale à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Ainsi, le volume du ballon ne varie pratiquement pendant le vol, et, comme il en est généralement de même de la masse transporté, les ballons évoluent sur des surfaces de densité constante (ou isopycnes). En l'absence de mouvements verticaux importants, les isopycnes ne s'éloignent que marginalement des isentropes, de telle sorte que les ballons peuvent être considérés comme des traceurs quasiLagrangien (cf. Hertzog et al., 2007).
La campagne Vorcore en 2005 a montré la fiabilité de ces porteurs : la durée moyenne des vols pendant la campagne a été de 59 jours, le vol le plus long ayant duré 109 jours. Depuis cette campagne, le CNES a continué à travailler sur la fiabilité des ballons. L'objectif visé pour la campagne Stratéole Phase 2 est ainsi d'obtenir des durées de vol en moyenne supérieures à 3 mois.
De même, la gamme des ballons pressurisés a augmenté récemment. Pendant Vorcore, nous disposions de deux types de ballons : 8,5 m et 10 m de diamètre. Depuis l'expérience AMMA en 2006, des ballons de 12 m de diamètre sont également disponibles. La taille des ballons associée à la masse emportée détermine le niveau de vol des ballons. Comptetenu des masses que chaque type de ballons peut actuellement emporter (~ 45 kg pour les ballons de 10 et 12 m de diamètre, et 25 kg pour les ballons de 8,5 m de diamètre), un continuum de niveau de vol situé, en terme de densité atmosphérique, entre 0,080 kg/m3 et 0,150 kg/m3 est permis9. Pour des températures caractéristiques de l'UTLS équatoriale, cette gamme de densité se traduit en l'intervalle [390 K ; 500 K] en terme de température potentielle. Ainsi, les ballons volant le plus bas seront situés à proximité de la tropopause équatoriale, et seront par exemple susceptibles de rencontrer des cirrus fins (Dessler et al., 2006b) ou directement influencés par les pénétrations convectives en stratosphère. Les altitudes de vol plus hautes seront réservées aux ballons équipés des instruments de télédétection.
Enfin, une dernière caractéristique des ballons pressurisés sera mis à profit durant la campagne. Ces ballons ont démontré, à plusieurs occasions, leur stabilité lors du survol d'enclumes convectives très froides. Au cours de ces survols néanmoins, la température du gaz à l'intérieur du ballon peut devenir suffisamment basse pour que le ballon dépressurise, c'estàdire que l'hélium se mette en équilibre avec la pression atmosphérique. Dans ces conditions, l'altitude du ballon diminue (il se rapproche du sommet du nuage), mais le ballon retrouve toutefois un niveau d'équilibre à surpression nulle. La figure 2 est un exemple d'un tel comportement tiré de l'expérience Hibiscus en 2004. Ces excursions verticales localisées audessus des nuages très froids seront utilisés pour effectuer des observations plus fréquentes de vapeur d'eau et d'ozone en particulier.
9 Il est rappelé qu'une fois fixée la masse emportée par le ballon et son volume, le ballon évolue à densité constante.
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2.3 Charges utiles scientifiquesLa campagne Stratéole Phase 2 profitera des développements récents dans l'instrumentation des ballons pressurisés, principalement réalisés dans le cadre des projets AMMA et Concordiasi10. Nous recensons cidessous l'ensemble des instruments envisagés pour la campagne, leur état respectif de développement, ainsi que l'intérêt scientifique de chacun d'eux.
Mesures météo insitu (pression, température)Le LMD a développé des capteurs spécifiques pour la mesure de la pression et de la température à bord de ces ballons longue durée. Ces capteurs ont déjà volé maintes fois et ont été à la base de plusieurs études scientifiques (Hertzog et al., 2002 ; Hertzog et al., 2007). Le LMD continue le développement de ces capteurs, en cherchant notamment à encore améliorer leur précision (actuellement, environ 1 Pa pour la pression et 0,25 K pour la température). Ces observations météorologiques insitu seront utilisées à la fois pour les études de dynamique, mais également en lien avec les observations de microphysique pour documenter les mécanismes de formation des nuages.
GPS (position et occultation)Jusqu'à présent, les positions successives des ballons (desquelles sont tirées les composantes horizontales du vent) étaient obtenues à l'aide d'un GPS commercial classique. Une équipe dirigée par J. Haase de l'Université de Purdue (USA) travaille en collaboration avec le CNES et le LMD afin d'utiliser un modèle bifréquence, capable d'effectuer un positionnement différentiel à longue distance des stations de références. La précision attendue devrait être améliorée d'environ un facteur 10 (précision submétrique), ce qui nous permettrait d'utiliser conjointement les mesures de position verticale et de pression pour étudier la dynamique ondulatoire. L'augmentation de la fréquence des
10 La campagne Concordiasi aura lieu en SeptembreOctobre 2008. Une vingtaine de ballons pressurisés seront lâchés à cette occasion de la station Antarctique McMurdo.
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Figure 2 : Surpression du gaz (haut) et altitude (bas) lors d'un vol de l'expérience Hibiscus en 2004. Au début du jour 74, le ballon survole un cumulonimbus et dépressurise pendant plus d'une heure. Le ballon chute alors d'enivron 1 km, mais retrouve un niveau d'équilibre vers 17,7 km d'altitude.
mesures demande également d'améliorer la précision de la position, afin que le bruit instrumental ne domine pas le signal géophysique à haute fréquence.D'autre part, ce même modèle de GPS sera utilisé pour effectuer des occultations des satellites, ce qui permettra d'obtenir un profil vertical de température sous le ballon quelques dizaines de fois par jour (à la manière des occultations COSMIC sur Formosat 3). L'intérêt de telles mesures est évident, notamment pour documenter la structure verticale de la haute troposphère à proximité du ballon. Ces observations seront utilisées conjointement avec les observations lidar dans le but de décrire les conditions thermodynamiques de formations des nuages à la tropopause équatoriale.Ce nouvel instrument effectuera son premier vol lors de la campagne Concordiasi en 2008. La précampagne de 2009 servira de qualification définitive de cet instrument.
Vapeur d'eauLa difficulté de mesurer la vapeur d'eau à basse température dans l'UTLS est bien connue. Cette difficulté est encore accrue sous les ballons longue durée, à cause de la faible masse et de l'énergie limitée octroyée aux charges utiles scientifiques. Nous avons donc choisi de sélectionner plusieurs instruments pour la campagne Stratéole Phase 2. Les phases de développement varie d'un instrument à l'autre, mais ils devraient être tous disponibles en 2010. Le vol, pendant la même campagne, des différents capteurs nous fournira ainsi une estimation de la précision des mesures.
Le premier (et le plus avancé) de ces instruments est picoSDLA de G. Durry (GSMA). Cet instrument s'appuie sur l'expérience emmagasinée par l'équipe de G. Durry sur les versions précédentes : SDLA et microSDLA (Durry et al., 2004). picoSDLA mesure la vapeur d'eau par spectroscopie d'absorption à environ 2,6 µm. Le trajet optique nécessaire à cette longueur d'onde est de l'ordre du mètre, ce qui permet donc le développement d'un instrument léger (de l'ordre du kg) et compact. picoSDLA a déjà effectué un vol courte durée avec succès, il sera intercomparé en 2008 avec l'instrument FLASH, et sera l'instrument principal de la campagne tropico. La version longue durée de picoSDLA sera qualifiée lors de la précampagne de 2009.Le deuxième instrument est proposé par l'Université d'Adelaide (Australie) par M. Hamilton et R. Vincent. Il s'agit d'un instrument similaire à picoSDLA. Cet instrument participera également à la précampagne de 2009, et sera donc intercomparé, en longue durée, avec picoSDLA.Enfin, le LMD développe actuellement un hygromètre à point de givre de faible masse destiné à effectuer des vols de longue durée. Cet instrument utilise la technique des ondes acoustiques de surface pour détecter la présence de glace sur le capteur. Le développement de l'instrument a déjà démarré au laboratoire. Nous utiliserons également la précampagne de 2009 pour comparer cet instrument aux autres hygromètres.
Durry et al., In situ sensing of the middle atmosphere with balloonborne nearinfrared laser diodes, Spectroch. Acta (A), 60, 33713379, 2004.
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OzoneLe LMD développe également un photomètre pour la mesure de l'ozone en haute troposphère et basse stratosphère. La quantité d'ozone est déduite de la mesure de son absorption dans l'UV dans une cellule de taille connue. L'instrument sera proche de celui développé à l'Aeronomy Laboratory (Boulder) pour des vols de courte durée sous ballon stratosphérique (Proffitt et McLaughlin, 1983), les développements récents des sources de lumières et des détecteurs permettant une miniaturisation de l'instrument. Un premier vol de cet instrument devrait avoir lieu au Brésil début 2008, puis plusieurs exemplaires voleront pendant Concordiasi. Cet instrument sera donc normalement prêt et qualifié pour Stratéole Phase 2.La mesure de l'ozone, en association avec les observations de vapeur d'eau, permettra de documenter les processus de transport au sommet de la TTL.
Proffitt et McLaughlin, Fastresponse dualbeam UVabsorption ozone photometer suitable for use on stratospheric balloons, Rev. Sci. Intrum., 54, 17191728, 1983.
NuagesLe microlidar développé par G. Di Donfrancesco et F. Cairo (Di Donfrancesco et al., 2006) sera utilisé pour effectuer les mesures de rétrodiffusion et de dépolarisation des nuages pendant la campagne. Ce lidar a été spécialement conçu pour effectuer des mesures sous ballons longue durée. La microlidar a déjà volé pendant la campagne Hibiscus en 2004. Les récents développements des sources laser ont encore permis la réduction du poids de l'instrument (actuellement 4 kg). L'instrument fonctionne uniquement la nuit. Il permettra de documenter le cycle de vie des cirrus fins pendant cette période. Contrairement aux lidars spatiaux, les mesures de ce lidar sous ballon permettront d'étudier les liens entre la microphysique et la dynamique petite échelle (ondes de gravité par exemple).
Di Donfrancesco et al., Balloonborne lidar for cloud physics studies, App. Opt., 45, 57015708, 2006.
Compteur de particulesDes compteurs de particules équiperont certains ballons volant dans la TTL. Le compteur de particules que nous utiliserons sera une adaptation aux particules rencontrées à la tropopause équatoriale de l'instrument utilisé par T. Deshler pour l'étude des nuages stratosphériques polaires et des aérosols volcaniques (Deshler et al., 2003). Cet instrument est un compteur optique permettant de compter les noyaux de condensation et les particules dans plusieurs classes de taille. Une version longue durée de l'instrument sera développé pour l'expérience Concordiasi en 2008 et effectuera plusieurs vols pendant cette campagne.Cet instrument sera en particulier utilisé pour documenter la formation des cirrus dans la TTL, ainsi que pour détecter la présence de pénétrations convectives.
Deshler et al., Thirty years of in situ stratospheric aerosol size distribution measurements from Laramie, Wyoming (41°N), using balloonborne instruments, J. Geophys. Res., 108, 4167, 2003.
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Nacelle driftsondesLa nacelle driftsondes (développée au NCAR) est constituée d'environ 50 sondes miniaturisées, largable sur commande. Une fois lâchées, ces sondes retombent sous parachute et effectuent un profil vertical sous le ballon de pression, température, vent et humidité, à la manière d'un radiosondages. La nacelle driftsondes a déjà été utilisée avec succès pendant la campagne AMMA. Des discussions sont actuellement en cours avec le NCAR pour étudier la possibilité d'emporter cette nacelle pendant Stratéole Phase 2. La décision finale devrait être connue dans les prochains mois et dépendra principalement de l'intérêt des scientifiques du NCAR dans la campagne. Les observations réalisées par cette nacelle permettront de connaître en détail la structure verticale de la haute troposphère équatoriale, et seront notamment complémentaires des mesures lidar.
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4. Équipes associées au projet
4.1 En France Les personnes suivantes ont exprimé leur intérêt pour être associées à la campagne et à l'exploitation scientifique des observations qui seront collectées. Nous avons choisi de ne pas mentionner de pourcentage de participation pour les personnels. L'essentiel du travail associé à la campagne débutera effectivement en 2009 pour les équipes instrumentales, et en 2010 pour les autres. Néanmoins, le temps de travail moyen consacré à la coordination de la campagne, activité qui débutera dès 2008, est renseigné.
Laboratoire de météorologie dynamique Albert Hertzog (25%) (coordinateur)François Vial (20%), Claude Basdevant (10%) (dynamique, cocoordinateurs)Riwal Plougonven (onde de gravité, modélisation mésoéchelle)Bernard Legras (transport)Hélène Chepfer, Vincent Noël (nuages)François Lott (modélisation, paramétrisation)Philippe Drobinski (expertise ballons)
Groupe de spectroscopie moléculaire et atmosphériqueGeorges Durry (picoSDLA)Emmanuel Rivière (modélisation dynamique/microphysique)
Laboratoire de Physique Moléculaire pour l'Atmosphère et l'AstrophysiqueClaude CamyPeyret (expertise développements instrumentaux)
MétéoFrance (CNRM)Alain Dabas (coordination validation ADM/Aeolus)Florence Rabier (assimilation et validation ADM/Aeolus)
4.2 À l'étrangerUne lettre exprimant l'intérêt de chacun des groupes suivants pour la campagne proposée est jointe ciaprès à ce document.
University of Hawaii, USAKevin Hamilton (dynamique et modélisation)
ENEA/ACS et CNR/ISAC, ItalieGuido Di Donfrancesco et Francesco Cairo (microlidar)
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University of Purdue, USAJennifer Haase, Éric Calais, Feiqin Xie (GPS haute résolution et occultation)
Global Modeling and Assimilation Office, NASA, USASteven Pawson (assimilation)
University of Adelaide, AustralieRobert Vincent (onde de gravité)Murray Hamilton (mesure de vapeur d'eau)
University of WyomingTerry Deshler (compteur de particules)
University of California, Los AngelesC. Roberto Mechoso (modélisation)
21
International Pacific Research CenterUniversity of Hawaii at Manoa
Honolulu, HI 96822
September 21, 2007Dr. Albert HertzogLaboratoire de Météorologie DynamiqueEcole PolytechniqueF91128 Palaiseau Cedex
Dear Albert,
It is a pleasure to write in strong support of your proposed “Strateole Phase 2” campaign and express my interest in collaborating in this project.
The lowlatitude stratosphere displays some of the most interesting phenomena seen anywhere in the atmospheric circulation, and these features cover a wide range of space and time scales. At the largescale and lowfrequency extreme, the quasibiennial oscillation (QBO) is unique in being a quasiregular internallygenerated oscillation which is predictable for months (or even years) in advance. At the highfrequency, smallscale end of the spectrum, the gravity waves generated by tropical convection are notable for their large amplitudes and locallyconfined sources. At scales in between, the wealth of tropical planetary waves has been a subject of intense study for four decades.
The field of equatorial stratospheric dynamics has benefited from many important theoretical advances which have provided a basic framework for understanding of the circulation. However, the equatorial stratosphere has suffered from a relative lack of detailed observations, particularly of the wind field. The number of radiosonde stations near the equator that take balloon measurements that routinely reach stratospheric altitudes is very small. Satellites provide remotelysensed estimates of temperature, of course, but these observations are less useful for the equatorial stratosphere than elsewhere for a couple of reasons. First the small vertical scales for both the mean shear and many verticallypropagating waves cannot be resolved in conventional satellite retrievals. Secondly the accuracy of geostrophic or other balanced wind approximations drops off quickly near the equator. The net result is a lack of detailed knowledge of the wind field and, consequently, gridded analyses (such as NCEP or ERA40) which have
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acknowledged severe deficiencies in the equatorial stratosphere.
This makes your proposed project with longduration balloons so exciting – it would provide an unprecedented coverage of in situ wind measurements in the equatorial stratosphere and a consequent ability to diagnose the dynamical mechanisms involved in maintaining the circulation. Just the improved depiction of the largescale horizontal wind field in the stratosphere will produce an enormous improvement in our knowledge of how the circulation behaves. It will also be extremely interesting to see how these added data affect stateoftheart global analysis schemes. In addition, your recent work has shown that important information about the highfrequency gravity wave field can be retrieved from the balloon data. The ability to simultaneously observe the mean flow (and mean flow accelerations), the largescale equatorial waves, and the highfrequency gravity waves, is almost certain to provide a qualitative jump in our knowledge of how the circulation in the equatorial stratosphere is maintained.
I would very much like to be involved in this project. At a minimum I would like to contribute to the data analysis. One particular issue I could provide expertise on is the comparison of the balloon data with simulations from very fine resolution global general circulation models (GCMs). My recent work with colleagues at the Earth Simulator Center in Japan has shown that global atmospheric models run at ~1020 km horizontal resolution (and fairly fine vertical resolution) can simulate many features of the spectrum of mesocale motions in the upper troposphere and lower stratosphere. However, the results that would be obtained from your proposed project would provide a completely new and more detailed data set with which to validate the lowlatitude simulation by such highresolution GCMs.
In addition I am exploring the possibility of organizing a campaign of conventional radiosonde launches from Christmas Island to coincide with your proposed balloon campaign. Christmas Island is nearly on the equator and lies in the middle of a huge data gap in the radiosonde network (and unfortunately does not itself have a routine radiosonde station). By bringing in equipment, expendable supplies and personnel from Hawaii (a 3hour scheduled airplane ride away) we could have a concentrated program of frequent radiosonde launches which would supplement the detailed data to be obtained from your longlived balloons. I plan to investigate the possibility of US funding sources for my proposed participation, both in terms of data analysis and the possible Christmas Island radiosonde campaign. The most likely potential source of funds appears to be the National Science Foundation.
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As someone interested in the equatorial stratospheric circulation for my entire career, I can only wish you success with your proposal. The work proposed is almost certain to catalyze historic developments in this field.
Sincerely,
Kevin HamiltonProfessor
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Earth and Atmospheric Sciences
September 19, 2007
To Whom It May Concern:
I am writing this letter in support of the project Stratéole Phase 2: Longduration balloon campaign in the
equatorial upper troposphere and lower stratosphere. This proposal uses the innovative and unique
capabilities of the superpressure stratospheric balloons developed at CNES to address several important
goals in understanding upper troposphere/lower stratosphere interactions. Of particular interest to our
research group is the possibility to quantify gravity wave momentum flux and to study the links between
convection, gravity waves and transport across the tropopause. We would like to contribute to this effort by
working with CNES to include high precision GPS positioning and radio occultation profiling as part of the
payload. This would contribute to more accurate recovery of vertical motions from the balloon, that allow
separation of pressure gradient effects in the calculation of momentum flux. The profile capability of the
GPS would directly contribute to defining the structure of the tropoical tropopause layer. We are currently
planning with CNES to make test flights of such a system in SeptemberOctober 2008, as a prototype
system that could fly in Stratéole Phase 2. To support our collaboration in this proposal, we would submit an
associated proposal to NSF and NASA to develop the payload. This would be a collaboration among myself,
Dr. Feiqin Xie, and Prof. Eric Calais, all at Purdue University, to work in conjunction with colleagues in
France, including Albert Hertzog, at the Laboratoire de Météorologie Dynamique, Paris, Florence Rabier at
Météofrance, Toulouse, and Philippe Cocquerez at the Centre National d’Etudes Spatiales, Toulouse.
Sincerely,
Prof. Jennifer Haase
Department of Earth and Atmospheric Sciences
Purdue University
Civi l Eng ineer ing Bu i ld ing • 550 S t ad ium Mal l Dr ive • W es t Lafaye t t e , IN 479072051(765) 4943258 • F A X : (765) 4961210
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