A comparison of airborne in-situ cloud microphysical measurements with ground   C and X band radar o...
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A comparison of airborne in-situ cloud microphysical measurements with ground C and X band radar observations in African squall lines. E. Drigeard 1 , E. Fontaine 1 , W. Wobrock 1 , A. Schwarzenböck 1 , E.R. Williams 2 , F. Cazenave 3 , M. Gosset 4 , A. Protat 5 and J. Delanoë 6. 3. 2. 1.

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ICCP 2012, July 30 – August 03, Leipzig, Germany

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Presentation Transcript


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

A comparison of airborne in-situ cloud microphysical measurements with ground C and X band radar observations in African squall lines

E. Drigeard1, E. Fontaine1, W. Wobrock1, A. Schwarzenböck1, E.R. Williams2, F. Cazenave3, M. Gosset4, A. Protat5 and J. Delanoë6

3

2

1

5

6

4

ICCP 2012, July 30 – August 03, Leipzig, Germany


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

French-Indian satellite (launched on the 11/10/12)

To improve our knowledge of the processes linked to the tropical convection and precipitation

2 ground validation campaigns (Niger & Maldives)

Aircraft measurements with the French Falcon 20 (CIP, PIP, 2DS probes, cloud radar RASTA)


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

French-Indian satellite (launched on the 11/10/12)

To improve our knowledge of the processes linked to the tropical convection and precipitation

2 ground validation campaigns (Niger & Maldives)

Aircraft measurements with the French Falcon 20 (CIP, PIP, 2DS probes, cloud radar RASTA)

2 ground radars : MIT & Xport

Objective :

comparing ground based radar reflectivity with those calculated from in-situ microphysical observations


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

  • Volumetric protocol :

    • 3D spatial distribution of the reflectivity every 12 minutes

  • Elevations :

  • - Xport : 12 angles

    • from 2 to 45°

    • - MIT : 15 angles

    • from 2 to 24°


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

MIT radar :

On the Niamey airport

C-band (5.5 GHz)

Range of 150km

Xport radar :

30 km SE of the airport

X-band (9.4 GHz)

Range of 135km

+ MIT radar

ΔXport radar

90 km

  • To compare radar data and in-situ observations :

  • Co-localization of the 2 ground radars data

  • and the aircraft position


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

8

250 m

7

5

250 m

4

6

1

3

2

1- 7°

Radar

  • Use of all scans collected during a observationnal period

  • Steady state hypothesis of the reflectivity field during this period (increasing the vertical resolution)

  • Spatial interpolation (Inverse Distance Weighting) using 8 observation points


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Calculated RHI

(15 scans)

Measured RHI

(300 scans)

  • Comparison of observed and calculated RHI scans for the MIT radar

    • Differences increase with distance (deterioration of the vertical resolution of the volumetric data)

    • Statistical analysis :

    • standard deviation = 3dBZ

± 3dBZ


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Good agreement between co-localized MIT reflectivity and airborne radar RASTA

Very similar pattern for the airborne and the ground observation


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

In-situ probes (PIP, CIP, 2DS) show cloud particles from 50µm to 5mm.

The cloud particles have irregular shapes (graupel, aggregate)

To calculate the equivalent reflectivity Ze, a power mass law m=αDβ is applied:

Example for number distribution

averaged during 10s during

the flight #20


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

In-situ probes (PIP, CIP, 2DS) show cloud particles from 50µm to 5mm.

The cloud particles have irregular shapes (graupel, aggregate)

To calculate the equivalent reflectivity Ze, a power mass law m=αDβ is applied:

α is determined by matching the reflectivity calculated by Mie theory with measurements of the cloud radar RASTA at 95GHz

 0.001 < α < 0.1; and β = 2.1

The mass law obtained in this way is applied again to calculate the reflectivity of the precipitation radars MIT and Xport (using Rayleigh approximation)


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- Calculated reflectivity is in good agreement with observations of both ground radars

- Best results in regions where aircraft < 8000 m and range < 80 km


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

  • Some periods with differences between signals

  • Statistically :


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Reflectivity observed by precipitation radar can be recalculated from in-situ cloud microphysical measurements, if a mass-diameter relationship in a form of m=αDβ is applied (instead of m~D3)

Limits :

mixte phase clouds and predominantly cold clouds (in the levels from -5 to -30°C)

where reflectivity prevails from 15 to 35 dBZ.

Perspectives:

on-going work on the differences observed between both ground based radars

improving satellite retrieval processes in the Megha-Tropiques context


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Radars au sol : Aspect statistique


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Contexte MT1

+ MIT radar

Δ Xport radar

  • 3 vols étudiés en particulier

    • Vol 18 : 13/08/2010 après-midi

    • Vol 20 : 17/08/2010 nuit

    • Vol 23 : 26/08/2010 matin

  • 2 radars au sol (décalés de 30km) :

    • MIT : 593*360*15 = 3 202 200 points / fichier

    • XPORT : 677*360*12 = 2 924 640 points / fichier

  • Portée MIT : 150km

  • Elévation max = 24°

  • Portée XPORT : 135km  80km

  • Elévation max = 45°


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

  • Constat : fortes différences entre les PDF MIT et XPORT

  • Sur ces figures :

    • XPORT sur sa propre grille, sur la durée totale du vol, avec R < 80km & alti<12km

    • MIT non corrigé sur sa propre grille, sur la durée totale du vol, avec R/XPORT < 80km & alti<12km

       Besoin de corriger les données MIT

25 238 923 val

16 779 568 val

10 773 505 val

10 898 711 val

11 166 915 val

10 814 451 val


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Intercomparaison des deux radars

  • Pour déterminer la correction à appliquer : étude du rapport ZXPORT/ZMIT

  • Problème : deux grilles distinctes pour les deux jeux de données

  • Intercomparaison des deux radars avec code de colocalisation

    De la même façon qu’on a colocalisé les données radars sol sur la trajectoire de l’avion Falcon, on colocalise les données de l’un des deux radars sur la grille de l’autre (et inversement)

    • Utilisation de la grille XPORT comme référence  interpolation des mesures MIT aux coordonnées (x, y, z, t) du XPORT

    • Utilisation de la grille MIT comme référence  interpolation des mesures Xport aux coordonnées (x, y, z, t) du MIT

  • Méthodologie :

    • Transformer les coordonnées d’observation (range, azimuth, elevation) du radar de référence dans un repère géographique : latitude, longitude, altitude  création d’une « trajectoire d’avion » virtuelle

    • Interpoler les observations du 2nd radar aux points du radar de référence

    • Sélection des données telles que : ZXPORT & ZMIT > -5dBZ & alti < 12km & dist/XPORT<80km

  • Finalement : entre 10 et 25 millions de couples de valeurs pour chaque vol


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Facteur de correction

  • Étude du rapport ZXPORT/ZMIT (en mm6/m3) pour les données sélectionnées :

    • 5.5km < alti < 12km

    • R/XPORT < 80km

  • Résultats :

    • facteur de correction moyen pour le vol 18 = 7.07 (écart-type = 5.07)

    • facteur de correction moyen pour le vol 20 = 5.39 (écart-type = 4.66)

    • facteur de correction moyen pour le vol 23 = 4.82 (écart-type = 4.45)

10 773 505 val

10 898 711 val

13 361 414 val

11 166 915 val

10 814 451 val

13 251 095 val

25 238 923 val

16 779 568 val

20 426 838 val


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Facteur de correction

  • Étude du rapport ZXPORT/ZMIT (en mm6/m3) pour les données sélectionnées :

    • 5.5km < alti < 12km

    • R/XPORT < 80km

  • Résultats :

    • facteur de correction moyen pour le vol 18 = 7.07 (écart-type = 5.07)

    • facteur de correction moyen pour le vol 20 = 5.39 (écart-type = 4.66)

    • facteur de correction moyen pour le vol 23 = 4.82 (écart-type = 4.45)

10 773 505 val

13 361 414 val

25 238 923 val

20 426 838 val

11 166 915 val

13 251 095 val

11 166 915 val

10 814 451 val

13 251 095 val

25 238 923 val

16 779 568 val

20 426 838 val


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

20 381 012 val

16 779 568 val

20 426 838 val

13 155 011 val

10 898 711 val

13 361 414 val

12 982 448 val

10 814 451 val

13 251 095 val


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

13 155 011 val

13 361 414 val

12 982 448 val

13 251 095 val

20 381 012 val

20 426 838 val

Bonne concordance entre les PDF en particulier pour les fortes réflectivités caractéristiques des fortes précipitations


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

  • Sélection des « meilleures données » :

    • Différence temporelle entre les mesures de chaque radar < 30 sec

    • Différence verticale < 5% de l’altitude de la mesure interpolée

    • Filtre très important des données : < 1% de données restantes

  • Validation des jeux de données et de la méthode de colocalisation

3 609 val

3 680 val

6 020 val

5 936 val

2 699 val

2 785 val


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Contexte MT2 DYNAMO

  • 2 vols étudiés en particulier

    • Vol 45 : 27/11/2011 matin

    • Vol 46 : 27/11/2010 après-midi

  • 2 radars au sol (distants de 2.5km) :

    • SPOL (2.80GHz) : 979*360*8 = 2 819 520 points / fichier

      • 5 min de mesures toutes les 15 min

    • SMART (5.63GHz) : 1499*360*26 = 14 030 640 points / fichier

      • 7.5 min de mesures toutes les 10 min


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Contexte MT2 DYNAMO

  • 2 vols étudiés en particulier

    • Vol 45 : 27/11/2011 matin

    • Vol 46 : 27/11/2010 après-midi

  • 2 radars au sol (distants de 2.5km) :

    • SPOL (2.80GHz) : 979*360*8 = 2 819 520 points / fichier

      • 5 min de mesures toutes les 15 min

    • SMART (5.63GHz) : 1499*360*26 = 14 030 640 points / fichier

      • 7.5 min de mesures toutes les 10 min

  • Portée SPOL : 147km

  • Elévation max = 11°

  • Portée SMART :150km

  • Elévation max = 33°

Radar SPOL

Radar SMART


Iccp 2012 july 30 august 03 leipzig germany

Comparaison des données

  • Sur ces figures :

    • SPOL sur sa propre grille, sur la durée totale du vol, avec R < 120km & alti<12km

    • SMART sur sa propre grille, sur la durée du vol, avec R < 120km & alti<12km

6 745 230 val

9 574 265 val

4 554 910 val

12 711 956 val


Intercomparaison des deux radars

Intercomparaison des deux radars

  • Même technique que pour MT1 : colocalisation de l’un des deux radars sur la grille de l’autre

10 868 439 val

12 711 956 val

4 869 756 val

9 574 264 val


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