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THÈSE N
O
2975 (2004)
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT
Institut des sciences et technologies de l'environnement
SECTION DES SCIENCES ET INGÉNIERIE DE L'ENVIRONNEMENT
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES
PAR
licence en physique, Université A.I. Cuza, lasi, Roumanie
et de nationalité roumaine
acceptée sur proposition du jury:
Prof. H. van den Bergh, directeur de thèse
Prof. B. Calpini, rapporteur
Prof. C. Comninellis, rapporteur
Prof. M. Parlange, rapporteur
Dr V. Simeonov, rapporteur
Lausanne, EPFL
2004
MEASUREMENT AND ANALYSIS OF AEROSOLS,
CIRRUS-CONTRAILS, WATER VAPOR AND TEMPERATURE
IN THE UPPER TROPOSPHERE WITH THE JUNGFRAUJOCH
LIDAR SYSTEM
Ioan BALIN
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À la science mon 1
er
hobby 
à ma femme unique,  Daniela 
à ma famille 
à mes amis  
à ceux qui m’aiment et croient en moi 
à mes ennemis si ça se trouve  
Ioan 
Everything ends… 
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Abstract 
A
BSTRACT
The  impact of  human activities on the  global climate  may  lead to large 
disruptions of the economic, social and political status quo in the middle and 
long  term. Understanding  the dynamics of  the Earth’s  climate is thus  of 
paramount importance and one of the major scientific challenges of our time. 
The  estimation  of  the  relative  contribution  of  the  many  components 
(interacting each other) of the Earth’s climate system requires observation 
and continuous  monitoring of various atmospheric physical  and chemical 
parameters. Temperature, water vapor and greenhouse gases concentration, 
aerosol  and  clouds  loads,  and  atmospheric  dynamics  are  parameters  of 
particular importance in this respect. The quantification of the anthropogenic 
influence on the dynamics of these above-mentioned parameters is of crucial 
importance nowadays but still affected by significant uncertainties.   
In the present context of these huge uncertainties in our understanding of 
how  these  different  atmospheric  compounds  contribute  to  the  radiative 
forcing, the research presented in this report is related to the following topics:  
‰ 
Development of lidar-based remote sensing techniques for monitoring 
atmospheric compounds and processes 
‰ 
Aerosols – cirrus – contrails optical properties up to the tropopause 
‰ 
Water vapor mixing ratio and relative humidity estimation in the upper 
troposphere 
‰ 
Temperature profiling in the upper troposphere-lower stratosphere 
‰ 
Characterization of the long-range transported mineral aerosols  
(i.e. Saharan dust outbreaks) 
‰ 
Planetary boundary layer-upper troposphere exchanges 
(i.e. August 2003 heatwave effect) 
In the above research frames, the development and application of measurement 
techniques for the monitoring of climate-change parameters, this work refers to 
the implementation of a multi-wavelength LIDAR
1
system (JFJ - LIDAR)
2
at the 
International Scientific Station of Jungfraujoch  (ISSJ, 46°33’ N, 7°59’ E, at 
3580 m ASL- above sea level). The JFJ
3
station is situated above the planetary 
boundary layer (PBL) almost all year long and is located in a mountain pass 
linking the  Swiss plateau to the  North with  the Rhone Valley to the South 
through the Aletsch glacier corridor.  
1
LIDAR – LIght Detection And Ranging 
2
JFJ-LIDAR is the acronym used here for Jungfraujoch multi-wavelength LIDAR system 
3
JFJ is the abbreviation for Jungfraujoch  
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Abstract 
‰ 
Measurements  with  the  JFF-LIDAR  system  provide  regular  vertical  and 
horizontal remote sensing of water vapor, temperature, and optical properties 
(backscatter  and  extinction  coefficients)  of  aerosols,  cirrus  clouds  and 
contrails in the upper troposphere (UT)
4
. The lidar system is based on the 
laser emission at 355, 532 and 1064 nm and on subsequent detection of both 
elastic  (Mie)  and  inelastic  (Raman)  atmospheric  backscatter  light.  The 
backscattering collected radiation is precisely: the elastic at 355, 532 and 
1064 nm; the rotational-vibrational Raman radiation from nitrogen at ~ 387 
nm,  and  from  water  vapor at  ~  407  nm  as  well  as  the  pure  rotational 
nitrogen/oxygen  Raman  excited  at  ~  532  nm. The  depolarization  of  the 
initially linearly polarized radiation was also detected at 532 nm and it was 
use to distinguish between water and ice contents in cirrus clouds, but also it 
may reveal long-range transported mineral aerosols such as Saharan dust. 
‰ 
Profiles of backscatter and extinction coefficients of aerosols-cirrus-contrails, 
needed for estimation of the radiative balance of the atmosphere, are derived 
from elastic and Raman light scattering processes, or through a combination 
of  both,  using  devoted  algorithms  and  software  developed  within  this 
research. Data gathered from routine measurements are statistically analyzed 
and interpreted in comparison with similar measurements obtained from co-
located techniques. Optical and microphysical properties of a typical contrail 
were studied.  
‰ 
The UT water vapor mixing ratio profiles are estimated from the ratio of ~ 
407 nm and ~387 nm Raman radiation excited by 355 nm. Upon appropriate 
calibration, real time water vapor mixing ratio profiles derived from LIDAR 
measurements are found in good agreement with the closest radiosounding  
techniques,  and  co-located  measurements  such  as  the  GPS
5
and  sun 
photometer based measurements. The water vapor profiles, combined with 
simultaneous  temperature  profiles  taken  from  atmospheric  models, 
radiosounding  or,  more realistically,  based  on the  pure rotational Raman 
technique, were used for the estimation of relative humidity profiles which 
allow the identification of UT super-saturation regions. 
‰ 
Air temperature profiles were obtained up to the lower stratosphere using the 
backscatter of pure rotational Raman radiation excited by 532 nm. These first 
results compare well to simultaneous regional radiosounding measurements, 
and  follow  standard  atmospheric  models.  The  pure  rotational  Raman 
4
UT will be used as abbreviation for upper troposphere (from ~ 3600 m ASL to the 
tropopause atmospheric region) 
5
GPS is the acronym for Global Positioning System 
Abstract 
backscatter was also used for determining absolute extinction and the lidar 
ratio for cirrus clouds. 
Based  on  the  JFJ-LIDAR  measurements,  supported  by  co-located  and 
regional measurements, the research presents also in detail two case studies 
related to climate problematic: 
¾ 
The first concerns the tracking of a Saharan dust outbreak (SDO) and 
the derivation of its optical properties.  
¾ 
The  second  study  refers  to  the  analysis  of  the  evolution  and 
consequences of the high altitudes planetary boundary layer (PBL)
6
convection during the August 2003 heat - wave episode. 
The  results presented  within this  research  provide a  promising  basis for 
extending these JFJ-LIDAR observations from the upper troposphere into the 
stratosphere by using the existent astronomic telescope (~15 times increased   
sensitivity) and a new (~ 3 times more powerful) laser source. Consequently 
DIAL
7
technique for measuring the stratospheric ozone will be developed 
and implemented in the near future at JFJ. Future challenges include also 
JFJ-LIDAR remote control operation and the ability of real time obtained 
atmospheric  calibrated  profiles  (i.e.  optical  properties  of  aerosols-cirrus-
contrails, water vapor, temperature and ozone). 
K
EYWORDS
LIDAR,  Jungfraujoch,  upper  troposphere,  aerosols,  cirrus-contrails, water 
vapor  mixing  ratio,  temperature,  Rayleigh,  Raman,  Mie,  backscattering, 
extinction, depolarization, Saharan dust, planetary boundary layer, Ångstrom 
coefficients, heatwave 
6
PBL - planetary boundary layer – its top is usually situated under the altitude of the JFJ 
station (i.e. 3600m ASL) 
7
DIAL - is the acronym coming from DIfferential Absorption Lidar 
Résumé 
R
ÉSUMÉ
L’impact  des  activités  humaines  sur  le  climat  peut  conduire  à  des  
perturbations économiques, sociales et politiques à court et long terme. La 
compréhension  des  dynamiques  du  climat  sur  Terre  est  à  présent  une 
préoccupation majeure de la communauté scientifique mondiale.  
L’estimation  de  la  contribution  relative  des  facteurs  actifs  sur  le  climat 
nécessite  de  nouvelles  observations  réalisées  à  long  –  terme  (i.e.  du 
monitoring) des nombreux paramètres physico-chimiques de  l’atmosphère 
terrestre.  
La température, la concentration de la vapeur d’eau et des autres gaz à effet 
de serre, les aérosols, les nuages et les différents échanges entre les couches 
de l’atmosphère sont des paramètres déterminants du climat.    
Dans  le  contexte  actuel,  de  larges    incertitudes  subsistent  quant  à  la  
contribution  des  composants  atmosphériques  à  l’effet  de  serre (peu 
d’estimations quantitatives des différentes contributions dans le bilan  radiatif 
du  système  Soleil  –  Atmosphère  –  Terre).  Dans  ce  contexte  le  travail 
présenté  par ce rapport est relié aux problématiques suivantes: 
‰ 
L’élaboration des outils basée sur la technique lidar pour l’observation 
systématique des composants et processus atmosphériques  
‰ 
L’estimation des  propriétés optiques des aérosols – cirrus – « contrails »   
‰ 
L’estimation de la vapeur d’eau et de l’humidité relative dans la haute 
troposphère  
‰ 
L’estimation  de  la  température  atmosphérique  jusqu’à  la  basse 
stratosphère  
‰ 
Caractérisation des  aérosols minéraux  transportés à l’échelle globale  
(i.e. les poussières de Sahara) 
‰ 
Echanges entre la couche limite planétaire et haute troposphere  
(i.e. l’effet de la canicule d’août 2003) 
Dans  le  contexte  du  développement  et  de  l’application  des  techniques 
mesurant  des  paramètres  atmosphériques  à  forte  vocation  climatique,  ce 
travail  rapporte l’implémentation d’un système  LIDAR multi - longueur 
d’onde (JFJ  - LIDAR)  à la   station scientifique de  Jungfrajoch  (ISSJ, 
46°33’ N, 7°59’ E, 3580 m ASL). La station  est située  au-dessus de la 
couche limite planétaire (excepté quelques jours en été). L’observatoire  est 
construit  au  sommet  d’une  proéminence  rocheuse  de  type  permafrost  
(Sphynx) en plein milieu du col de Jungfraujoch. Ce col relie le bassin du 
Résumé 
Rhin (au Nord) avec la vallée du glacier d’Aletsch qui appartient au bassin 
hydrographique du Rhône (au Sud).  
‰ 
Le JFJ - LIDAR est en mesure de fournir systématiquement des profils 
(horizontaux et verticaux) de la concentration de la vapeur d’eau, de la 
température et des propriétés optiques (i.e. coefficients de rétro-diffusion 
et d’extinction) des aérosols et des cirrus dans la haute troposphère. Le 
système lidar est basé sur l’émission de faisceaux laser à trois longueurs 
d’onde (i.e. 355, 532 et 1064 nm) et la détection  des radiations rétro – 
diffusées : élastiques (Mie, 355, 532 et 1064 nm) ou inélastiques (Raman, 
387, 407, 607, et 532 rotationnel). La dépolarisation de la lumière rétro- 
diffusée à 532 nm à été aussi mesurée et utilisée pour analyser le degré de 
composition des nuages en eau et glace ou pour l’analyse de la poussière 
saharienne.  
‰ 
Des profils de coefficients de rétro-diffusion et d’extinction des aérosols - 
cirrus  « contrails », en vue des calculs de bilan radiatif, sont dérivés à 
partir des signaux Mie et Raman en utilisant des algorithmes développés 
en  MatLab,  LabView,  Delphi,  etc.  Ce  rapport  contient  une  analyse 
statistique des mesures réalisées entre mai 2000 et mai 2002. Ces valeurs 
sont comparées aux mesures similaires  obtenues par d’autres  instruments 
installés à la station. Les propriétés optiques et microphysiques (très peu 
connues) d’un « contrail » typique ont été analysée et sont rapportées dans 
ce document. L’analyse de la dépolarisation à 532 nm a permis de faire la 
distinction entre eau-glace ou mélange de deux  dans les nuages ainsi que 
de détecter les aérosols minéraux transportés à l’échelle globale comme 
les poussières sahariennes.  
‰ 
Le rapport de mélange de la vapeur d’eau dans la troposphère libre par la 
technique  du  Raman  lidar  a  été  dérivé  systématiquement  (i.e.  profils 
verticaux à haute résolution spatio-temporelle) considérant le rapport de la 
radiation Raman de l’eau à 407 nm et celle de l’azote à 387 nm. Les 
estimations  absolues,  basées  sur  une  calibration  in  situ,  comparées  à 
d’autres mesures à la station (i.e GPS) ou régionales (i.e radiosondage de 
Payerne)  montrent  des  corrélations    réalistes.  Des  profils  d’humidité 
relative ont été calculés en considérant d’abord les profiles de température 
des modèles et  à partir de juin 2002 ceux mesurés par le lidar même. Sur 
les profiles d’humidité relative on a pu identifier systématiquement des 
régions de super-saturation dans la haute troposphère.   
‰ 
Des  profiles  de  température  ont  été  aussi  obtenus  jusqu’en    basse 
stratosphère en utilisant la technique Raman rotationnel à 532 nm. Les 
premiers résultats sont en très bonne corrélation avec les modèles et  le 
radiosondage de Payerne. Les signaux du Raman rotationnel ont été aussi 
utilisés  pour  la  détermination  absolue  de  la  rétro  -  diffusion,  de 
Résumé 
l’extinction  et  du  rapport  extinction/rétro-diffusion  correspondant  aux 
cirrus.  
Sur  la  base  des  mesures  du  système  lidar  à  Jungfraujoch  et  d’autres 
observations faites à Jungfraujoch ou à caractère régional deux études de cas 
sont  proposées,  due  à  leur  importance  vis-à-vis  de  la  problématique 
climatique. 
¾ 
La  1
ère
est dédiée à la caractérisation optique et microphysique des 
poussières sahariennes lors de la tempête de poussière désertique du 02 
août 2001  
¾ 
La 2
ème
se penche sur l’interprétation des mesures obtenues lors de la 
vague de chaleur extrême d’août 2003.  
Les résultats de ce travail constituent une base prometteuse pour l’extension 
des mesures lidar à la stratosphère en utilisant le télescope astronomique (~ 
15 fois plus sensible) et une nouvelle source lidar (~ 3 fois plus puissante). 
Avec ces améliorations en émission et en détection la mesure de l’ozone 
stratosphérique doit être possible à court terme.   
Pour des mesures systématiques à long terme, l’opération  à distance du 
système ainsi que la réalisation des mesures en temps réel sont envisagés. 
M
OTS CLÉS 
LIDAR  haute  troposphère,  aérosols,  cirrus,  contrails,  vapeur  d’eau, 
température,  Rayleigh,  Raman,  Mie,  rétro-diffusion,  extinction, 
dépolarisation,  poussières sahariennes, couche limite planétaire, coefficients 
d’Ångstrom, vague de chaleur. 
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