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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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)

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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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