Atmospheric Chemistry and Physics (Aug 2024)
Overview: quasi-Lagrangian observations of Arctic air mass transformations – introduction and initial results of the HALO–(𝒜 𝒞)<sup>3</sup> aircraft campaign
- M. Wendisch,
- S. Crewell,
- A. Ehrlich,
- A. Herber,
- B. Kirbus,
- C. Lüpkes,
- M. Mech,
- S. J. Abel,
- E. F. Akansu,
- F. Ament,
- C. Aubry,
- C. Aubry,
- S. Becker,
- S. Borrmann,
- S. Borrmann,
- H. Bozem,
- M. Brückner,
- H.-C. Clemen,
- S. Dahlke,
- G. Dekoutsidis,
- J. Delanoë,
- E. De La Torre Castro,
- E. De La Torre Castro,
- E. De La Torre Castro,
- H. Dorff,
- R. Dupuy,
- O. Eppers,
- F. Ewald,
- G. George,
- G. George,
- I. V. Gorodetskaya,
- S. Grawe,
- S. Groß,
- J. Hartmann,
- S. Henning,
- L. Hirsch,
- E. Jäkel,
- P. Joppe,
- P. Joppe,
- O. Jourdan,
- Z. Jurányi,
- M. Karalis,
- M. Kellermann,
- M. Klingebiel,
- M. Lonardi,
- M. Lonardi,
- J. Lucke,
- J. Lucke,
- A. E. Luebke,
- M. Maahn,
- N. Maherndl,
- M. Maturilli,
- B. Mayer,
- J. Mayer,
- S. Mertes,
- J. Michaelis,
- J. Michaelis,
- M. Michalkov,
- G. Mioche,
- M. Moser,
- M. Moser,
- H. Müller,
- R. Neggers,
- D. Ori,
- D. Paul,
- F. M. Paulus,
- C. Pilz,
- F. Pithan,
- M. Pöhlker,
- M. Pöhlker,
- V. Pörtge,
- M. Ringel,
- N. Risse,
- G. C. Roberts,
- S. Rosenburg,
- J. Röttenbacher,
- J. Rückert,
- M. Schäfer,
- J. Schaefer,
- V. Schemann,
- I. Schirmacher,
- J. Schmidt,
- S. Schmidt,
- J. Schneider,
- S. Schnitt,
- A. Schwarz,
- H. Siebert,
- H. Sodemann,
- H. Sodemann,
- T. Sperzel,
- T. Sperzel,
- G. Spreen,
- B. Stevens,
- F. Stratmann,
- G. Svensson,
- C. Tatzelt,
- T. Tuch,
- T. Vihma,
- C. Voigt,
- C. Voigt,
- L. Volkmer,
- A. Walbröl,
- A. Weber,
- B. Wehner,
- B. Wetzel,
- M. Wirth,
- T. Zinner
Affiliations
- M. Wendisch
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- S. Crewell
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- A. Ehrlich
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- A. Herber
- Physik der Atmosphäre Bremerhaven, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, Germany
- B. Kirbus
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- C. Lüpkes
- Physik der Atmosphäre Bremerhaven, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, Germany
- M. Mech
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- S. J. Abel
- Met Office, Exeter, United Kingdom
- E. F. Akansu
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- F. Ament
- Meteorologisches Institut, Universität Hamburg, Hamburg, Germany
- C. Aubry
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- C. Aubry
- Laboratoire Atmosphères, Milieux et Observations Spatiales (LATMOS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Guyancourt, France
- S. Becker
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- S. Borrmann
- Abteilung für Partikelchemie, Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), Mainz, Germany
- S. Borrmann
- Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany
- H. Bozem
- Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany
- M. Brückner
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- H.-C. Clemen
- Abteilung für Partikelchemie, Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), Mainz, Germany
- S. Dahlke
- Physik der Atmosphäre, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Potsdam, Germany
- G. Dekoutsidis
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- J. Delanoë
- Laboratoire Atmosphères, Milieux et Observations Spatiales (LATMOS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Guyancourt, France
- E. De La Torre Castro
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- E. De La Torre Castro
- Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany
- E. De La Torre Castro
- Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Technische Universiteit Delft, Delft, the Netherlands
- H. Dorff
- Meteorologisches Institut, Universität Hamburg, Hamburg, Germany
- R. Dupuy
- Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP), Université Clermont Auvergne, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Clermont-Ferrand, France
- O. Eppers
- Abteilung für Partikelchemie, Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), Mainz, Germany
- F. Ewald
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- G. George
- Klimaphysik, Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Germany
- G. George
- now at: Faculty of Civil Engineering and Geosciences, Delft University of Technology (TU Delft), Delft, the Netherlands
- I. V. Gorodetskaya
- Centro de Estudos do Ambiente e do Mar (CESAM), Universidade de Aveiro, Aveiro, Portugal
- S. Grawe
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- S. Groß
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- J. Hartmann
- Physik der Atmosphäre Bremerhaven, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, Germany
- S. Henning
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- L. Hirsch
- Klimaphysik, Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Germany
- E. Jäkel
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- P. Joppe
- Abteilung für Partikelchemie, Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), Mainz, Germany
- P. Joppe
- Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany
- O. Jourdan
- Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP), Université Clermont Auvergne, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Clermont-Ferrand, France
- Z. Jurányi
- Physik der Atmosphäre Bremerhaven, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, Germany
- M. Karalis
- Department of Meteorology and Bolin Centre for Climate research, Stockholm University, Stockholm, Sweden
- M. Kellermann
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- M. Klingebiel
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- M. Lonardi
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- M. Lonardi
- now at: Extreme Environments Research Laboratory (EERL), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Sion, Switzerland
- J. Lucke
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- J. Lucke
- Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, Technische Universiteit Delft, Delft, the Netherlands
- A. E. Luebke
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- M. Maahn
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- N. Maherndl
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- M. Maturilli
- Physik der Atmosphäre, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Potsdam, Germany
- B. Mayer
- Meteorologisches Institut, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany
- J. Mayer
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- S. Mertes
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- J. Michaelis
- Physik der Atmosphäre Bremerhaven, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, Germany
- J. Michaelis
- now at: Maritime Klimatologie, Maritim-klimatologische Analysen und Produkte, Deutscher Wetterdienst (DWD), Hamburg, Germany
- M. Michalkov
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- G. Mioche
- Laboratoire de Météorologie Physique (LaMP), Université Clermont Auvergne, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Clermont-Ferrand, France
- M. Moser
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- M. Moser
- Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany
- H. Müller
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- R. Neggers
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- D. Ori
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- D. Paul
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- F. M. Paulus
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- C. Pilz
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- F. Pithan
- Physik der Atmosphäre Bremerhaven, Alfred–Wegener–Institut, Helmholtz–Zentrum für Polar– und Meeresforschung (AWI), Bremerhaven, Germany
- M. Pöhlker
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- M. Pöhlker
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- V. Pörtge
- Meteorologisches Institut, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany
- M. Ringel
- Meteorologisches Institut, Universität Hamburg, Hamburg, Germany
- N. Risse
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- G. C. Roberts
- Scripps Institution of Oceanography, University of California San Diego, La Jolla, USA
- S. Rosenburg
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- J. Röttenbacher
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- J. Rückert
- Institut für Umweltphysik (IUP), Universität Bremen, Bremen, Germany
- M. Schäfer
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- J. Schaefer
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- V. Schemann
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- I. Schirmacher
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- J. Schmidt
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- S. Schmidt
- Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP), University of Colorado Boulder, Boulder, CO, USA
- J. Schneider
- Abteilung für Partikelchemie, Max-Planck-Institut für Chemie (MPIC), Mainz, Germany
- S. Schnitt
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- A. Schwarz
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- H. Siebert
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- H. Sodemann
- Geophysical Institute, University of Bergen, Bergen, Norway
- H. Sodemann
- Bjerknes Centre for Climate Research, Bergen, Norway
- T. Sperzel
- Leipziger Institut für Meteorologie (LIM), Universität Leipzig, Leipzig, Germany
- T. Sperzel
- now at: Abteilung Klima und Umwelt, Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main, Germany
- G. Spreen
- Institut für Umweltphysik (IUP), Universität Bremen, Bremen, Germany
- B. Stevens
- Klimaphysik, Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Germany
- F. Stratmann
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- G. Svensson
- Department of Meteorology and Bolin Centre for Climate research, Stockholm University, Stockholm, Sweden
- C. Tatzelt
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- T. Tuch
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- T. Vihma
- Finnish Meteorological Institute (FMI), Helsinki, Finland
- C. Voigt
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- C. Voigt
- Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), Johannes Gutenberg-Universität, Mainz, Germany
- L. Volkmer
- Meteorologisches Institut, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany
- A. Walbröl
- Institut für Geophysik und Meteorologie (IGM), Universität zu Köln, Cologne, Germany
- A. Weber
- Meteorologisches Institut, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany
- B. Wehner
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- B. Wetzel
- Atmosphärische Mikrophysik, Leibniz–Institut für Troposphärenforschung (TROPOS), Leipzig, Germany
- M. Wirth
- Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, Germany
- T. Zinner
- Meteorologisches Institut, Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Germany
- DOI
- https://doi.org/10.5194/acp-24-8865-2024
- Journal volume & issue
-
Vol. 24
pp. 8865 – 8892
Abstract
Global warming is amplified in the Arctic. However, numerical models struggle to represent key processes that determine Arctic weather and climate. To collect data that help to constrain the models, the HALO–(𝒜𝒞)3 aircraft campaign was conducted over the Norwegian and Greenland seas, the Fram Strait, and the central Arctic Ocean in March and April 2022. The campaign focused on one specific challenge posed by the models, namely the reasonable representation of transformations of air masses during their meridional transport into and out of the Arctic via northward moist- and warm-air intrusions (WAIs) and southward marine cold-air outbreaks (CAOs). Observations were made over areas of open ocean, the marginal sea ice zone, and the central Arctic sea ice. Two low-flying and one long-range, high-altitude research aircraft were flown in colocated formation whenever possible. To follow the air mass transformations, a quasi-Lagrangian flight strategy using trajectory calculations was realized, enabling us to sample the same moving-air parcels twice along their trajectories. Seven distinct WAI and 12 CAO cases were probed. From the quasi-Lagrangian measurements, we have quantified the diabatic heating/cooling and moistening/drying of the transported air masses. During CAOs, maximum values of 3 K h−1 warming and 0.3 g kg−1 h−1 moistening were obtained below 1 km altitude. From the observations of WAIs, diabatic cooling rates of up to 0.4 K h−1 and a moisture loss of up to 0.1 g kg−1 h−1 from the ground to about 5.5 km altitude were derived. Furthermore, the development of cloud macrophysical (cloud-top height and horizontal cloud cover) and microphysical (liquid water path, precipitation, and ice index) properties along the southward pathways of the air masses were documented during CAOs, and the moisture budget during a specific WAI event was estimated. In addition, we discuss the statistical frequency of occurrence of the different thermodynamic phases of Arctic low-level clouds, the interaction of Arctic cirrus clouds with sea ice and water vapor, and the characteristics of microphysical and chemical properties of Arctic aerosol particles. Finally, we provide a proof of concept to measure mesoscale divergence and subsidence in the Arctic using data from dropsondes released during the flights.