Low-level stratiform clouds remain one of the wildcards in future climate simulations. Despite their important role in the earth's radiation budget and the large number of dedicated field campaigns, several cloud-scale processes in marine stratocumulus clouds remain misrepresented. The 19-month-long deployment of the Atmospheric Radiation Measurement Program Mobile Facility in the Azores provided the longest and most comprehensive ground-based observational dataset of marine boundary layer clouds to date. The first objective of this project was the documentation of the frequency of occurrence of different cloud and precipitation systems in the Azores using a combination of passive and active measurements. The analysis indicates that, even though clouds were often observed (close to 80 % of the time), especially in the boundary layer (~50 %), a single-layer stratocumulus coverage rarely persisted more than a day. In fact, many stratocumulus clouds were observed to have cumulus clouds underneath them. This is linked to the nearly constant decoupled state of the boundary layer in the Azores, contrary to what has been observed in the Pacific decks. 35 cases of mostly single-layer persisting stratocumulus coverage were selected for further analysis. Results include similarities with other studies (e.g., maximum coverage at night, thicker clouds needed to drizzle, and importance of cloud-top radiative cooling at night), as well as differences (e.g., coherent structures account for a smaller fraction of the updraft mass flux). The second objective of this project was to revisit the detection of drizzle-size particles in stratocumulus clouds using radar observations. First, the cloud and drizzle size distributions are related theoretically to the radar measurements, including the effects of the dynamics. Then, a forward radar Doppler spectra model was developed to test the sensitivity of the radar measurements to modifications of the drizzle contribution. Finally, a simple 1-D steady-state model was exploited to simulate drizzle growth as it falls in a cloud, using the forward model to link the output back to the radar observations. Using that combination of models, some observed features of the drizzle evolution inside continental and maritime stratocumulus clouds were successfully investigated. Overall, it was found that the skewness of a radar Doppler spectrum is a good indicator of the presence of early drizzle droplets, while a reflectivity or Doppler velocity threshold indicates the change in dominance in the Doppler spectrum occurring when drizzle is well developed. The third and final objective of this project was to revisit another long-standing challenge: the retrieval of cloud microphysical properties using a combination of radar-radiometer measurements. A new technique was developed to retrieve the cloud particle size distribution in stratocumulus clouds, adding a microphysical condensational model under steady-state supersaturation conditions to a common retrieval method. The results appear reasonable in two nondrizzling marine stratocumulus clouds, and the derived cloud optical depth compares well with the one derived independently with another instrument. The errors of the retrievals were also estimated, demonstrating the added value of the new technique. / Les nuages stratiformes de basse altitude restent un des facteurs imprévisibles dans les simulations du climat futur. Malgré leur rôle important dans le budget radiatif terrestre et le grand nombre de campagnes de terrain dédiées, plusieurs procédés à l'échelle nuageuse dans les stratocumulus marins demeurent mal représentés. Le déploiement dans les Açores d'un laboratoire mobile du programme « Atmospheric Radiation Measurement » pendant 19 mois a fourni l'ensemble de données d'observation au sol sur les nuages de couche limite marine le plus long et le plus complet à ce jour. Le premier objectif de ce projet fut la documentation de la fréquence d'apparition de différents systèmes de nuages et de précipitations dans les Açores en utilisant une combinaison de mesures passives et actives. L'analyse indique que, même si des nuages étaient souvent observés (près de 80 % du temps), en particulier dans la couche limite (~50 %), une couverture de stratocumulus seul persistait rarement plus d'une journée. En fait, de nombreux stratocumulus furent observés avec des cumulus en dessous. Ceci est lié à l'état découplé de la couche limite quasi-constant dans les Açores, contrairement à ce qui a été observé dans les stratocumulus du Pacifique. 35 cas de couverture d'un stratocumulus persistant principalement seul furent sélectionnés pour une analyse approfondie. Les résultats incluent des similarités avec d'autres études (par exemple, une couverture maximale durant la nuit, un besoin de nuages plus épais pour bruiner et l'importance du refroidissement radiatif au haut des nuages durant la nuit), ainsi que des différences (par exemple, les structures cohérentes représentent une plus petite fraction du flux ascendant de masse). Le deuxième objectif de ce projet fut de revisiter la détection des particules de bruine dans les stratocumulus en utilisant les observations radar. Tout d'abord, les distributions de tailles des gouttelettes de nuage et de bruine sont liées théoriquement aux mesures radar, en incluant les effects dynamiques. Ensuite, un modèle direct de spectres Doppler radar fut développé pour tester la sensibilité des mesures radar à des modifications de la contribution de la bruine. Finalement, un simple modèle 1-D à l'état d'équilibre fut exploité pour simuler la croissance de la bruine pendant sa descente dans un nuage, en utilisant le modèle direct pour relier de nouveau les données sortantes avec les observations radar. En utilisant cette combinaison de modèles, quelques caractéristiques de l'évolution de la bruine observées à l'intérieur de nuages stratocumulus continental et maritime furent examinées avec succès. Dans l'ensemble, il fut déterminé que l'asymétrie d'un spectre Doppler radar est un bon indicateur de la présence de jeunes gouttelettes de bruine, alors qu'un seuil de réflectivité ou de vitesse Doppler indique le changement de domination dans le spectre Doppler se produisant quand la bruine est bien développée. Le troisième et final objectif de ce projet fut de revisiter un autre défi de longue date : le recouvrement de propriétés microphysiques des nuages en utilisant une combinaison de mesures radar et radiométriques. Une nouvelle technique fut développée pour retrouver la distribution de tailles des particules nuageuses, en ajoutant un modèle microphysique de condensation dans des conditions de supersaturation en équilibre à une méthode populaire de recouvrement. Les résultats semblent raisonnables pour deux stratocumulus marins ne bruinant pas et la profondeur optique dérivée pour ces nuages se compare bien avec celle dérivée indépendamment avec un autre instrument. Les erreurs de recouvrement furent également estimées, démontrant la valeur ajoutée de la nouvelle technique.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114395 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Rémillard, Jasmine |
| Contributors | Pavlos Kollias (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Atmospheric and Oceanic Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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