Marine stratocumulus clouds play a critical role in Earth's radiative balance primarily due to the role of their high albedo reflecting incoming solar radiation, causing a cooling effect, while weakly reflecting outgoing infrared radiation. Characterization of the 3-Dimensional (3D) structure of these cloud systems over scales of 20-40 km is required to accurately account for the role of cloud inhomogeneity and structure on their shortwave forcing and lifetime, which has important applications for Global Climate Models. For first time, such 3D measurements in clouds were made available from a scanning cloud radar during the U.S. Department of Energy (DOE) Atmospheric Radiation Measurement (ARM) program's Clouds, Aerosol, and Precipitation in the Marine Boundary Layer (CAP-MBL) field campaign in the Azores Islands. The scanning radar observations were complimented by a suite of zenith-pointing active and passive remote sensors that were deployed to provide a detailed description of marine stratus over a long-term observation period in the ideal marine environment commonly found at the Azores. The scanning cloud radar observations present a shift from a multi-instrument, vertically pointing 'soda-straw' observation technique to a radar-only, 'radar-centric' observation technique. The scanning radar observations were gridded using a nearest-neighbor type scheme devised to take the natural variability of the observed field into account. The ability of the scheme to capture primary cloud properties (cloud fraction, cloud boundaries, drizzle detection) was assessed using measurements from the vertically pointing sensors. Despite the great sensitivity of the scanning cloud radar (-42.5 dBZ at 1 km range), the drop in sensitivity with range resulted in an artificial thinning of clouds with range from the radar. Drizzle-free cloud structures were undetectable beyond 5 km from the radar. Cloud fields containing drizzle were generally detectable to ranges exceeding 10 km from the radar. Well-defined streaking patterns in the drizzle field (reflectivity greater than -15 dBZ) at cloud base were concluded to be concomitant with the formation of boundary layer rolls. Sounding data for these well-defined (unbroken) rolls revealed a mean sub-cloud layer wind exceeding 3.9 ms-1, sub-cloud layer shear exceeding 7.5 x 10-3 s-1, and a majority of streaks oriented within 20${\circ}$ of the mean sub-cloud layer wind, satisfying many boundary layer roll criteria proposed in past studies. Attempts to reconstruct the 3D cloud liquid water content and 2D column liquid water path across the scanning radar domain using Z (Reflectivity) vs. LWC (Liquid Water Content) regressions trained using the zenith measurements were proved ineffective due to the overall extent of drizzle at Graciosa, and errors associated with sensitivity loss at range. Despite some difficulties, the SWACR satisfied ARM metrics for success by proving effective at detecting weak clouds for extended time periods across a 10 km plane, and drizzle across a 20 km range, at high spatial resolutions. Difficulties in resolving accurate vertical velocity patterns also suggest the need for an adaptive sampling strategy to most effectively remove horizontal wind components. / Les nuages stratocumulus marins jouent un rôle essentiel dans l'équilibre radiatif de la Terre en raison, principalement, de leur albédo élevé réfléchissant le rayonnement solaire, provoquant un effet de refroidissement, tout en ayant peu d'effet thermique. La caractérisation de la structure tridimensionnelle (3D) de ces systèmes nuageux sur des échelles de 20-40 km est requise pour tenir compte, avec exactitude, du rôle de l'hétérogénéité et de la structure des nuages sur leur forçage dans les ondes courtes et leur cycle de vie, ce qui a des applications importantes pour les modèles climatiques globaux. Pour la première fois, de telles mesures 3D dans les nuages ont été rendues disponibles grâce à un radar de nuages à balayage (le SWACR) pendant la campagne de terrain dans les Açores « Clouds, Aerosol, and Precipitation in the Marine Boundary Layer » (CAP-MBL) du programme « Atmospheric Radiation Measurement » (ARM) du « Department of Energy » (DOE) américain. Les observations du radar à balayage ont été complémentées par une suite d'instruments de télédétection actifs et passifs pointant vers le zénith ayant été déployée pour fournir une description détaillée des stratus marins au cours d'une longue période d'observation dans l'environnement marin idéal couramment trouvé dans les Açores. Les observations du radar de nuages à balayage présentent le passage d'une technique d'observation « paille », utilisant plusieurs instruments pointant verticalement, à une technique d'observation « radar-centrique », utilisant uniquement un radar. Les observations du radar à balayage ont été quadrillées en utilisant une technique du plus proche voisin conçue pour prendre en compte la variabilité naturelle du champ observé. La capacité du régime à capturer les propriétés primaires des nuages (fraction nuageuse, limites des nuages, détection de bruine) a été évaluée en utilisant les mesures des détecteurs pointant verticalement. Malgré la grande sensibilité du radar de nuages à balayage (-42,5 dBZ à une distance de 1 km), la diminution de la sensibilité avec la distance a entraîné un amincissement artificiel des nuages avec la distance du radar. Les structures nuageuses sans bruine étaient indétectables au delà de 5 km du radar. Les domaines de nuages contenant de la bruine étaient généralement détectables à des distances excédant 10 km du radar. Des stries bien définies dans le domaine de bruine (réflectivité Z supérieure à -15 dBZ) à la base des nuages ont été associées avec la formation de rouleaux dans la couche limite. Des données de sondage pour ces rouleaux bien définis (ininterrompus) ont révélé un vent moyen dans la sous-couche nuageuse dépassant 3,9 ms-1, un cisaillement dans la sous-couche nuageuse supérieur à 7,5 x 10-3 s-1 et une majorité des stries orientées dans les 20° du vent moyen de la sous-couche nuageuse, satisfaisant de nombreux critères des rouleaux de couche limite proposés dans des études antérieures. Les tentatives visant à reconstruire la teneur 3D en eau liquide (LWC) et la colonne 2D d'eau liquide des nuages dans le domaine du radar à balayage utilisant des régressions de Z vs LWC formées à partir des mesures en zénith se sont avérées inefficaces en raison de l'étendue générale de la bruine sur Graciosa et les erreurs associées à la perte de sensibilité avec la distance. Malgré quelques difficultés, le SWACR satisfait les métriques de réussite de ARM en s'avérant efficace pour détecter les nuages faibles pendant de longues périodes à travers un plan de 10 km et la bruine sur une distance de 20 km, à haute résolution spatiale. Des difficultés à résoudre les structures précises de vitesse verticale suggèrent également la nécessité d'une stratégie d'échantillonnage adaptatif pour éliminer plus efficacement les composantes du vent horizontal.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107859 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Bowley, Kevin |
| Contributors | Pavlos Kollias (Internal/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 | Master of Science (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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