The implementation of an operational network of microwave radiometers is presently hampered by the cost and complexity of the available instruments. For this reason, the definition and design of a low-cost microwave radiometer suitable for automatic, high-quality observations of liquid water path (LWP) were one objective of the BALTEX cloud liquid water network: CLIWA-NET. In the course of the project, it turned out that a full profiling radiometer with 14 channels can be produced at only about 30% higher cost than a classical dual-channel IWV/LWP radiometer. The profiling capability allows simultaneous observations of LWP and the lower tropospheric (0–5 km) humidity and temperature profiles with a temporal resolution of less than 10 s and a vertical resolution from 100 m to 1 km in the planetary boundary layer depending on height and atmospheric conditions. The latter is possible due to an elevation scan capability and by the implementation of a new filter bank design. The radiometer has several additional sensors (temperature, humidity, pressure, rain detector and GPS) which guarantee, together with a flexible software package, the operational performance of the system with maintenance intervals of about every 3 months. The performance of the first prototype has been verified during a 3-week campaign at Cabauw, The Netherlands.

Abstract Clouds play an important role in Arctic amplification. This term represents the recently observed enhanced warming of the Arctic relative to the global increase of near-surface air temperature. However, there are still important knowledge gaps regarding the interplay between Arctic clouds and aerosol particles, and surface properties, as well as turbulent and radiative fluxes that inhibit accurate model simulations of clouds in the Arctic climate system. In an attempt to resolve this so-called Arctic cloud puzzle, two comprehensive and closely coordinated field studies were conducted: the Arctic Cloud Observations Using Airborne Measurements during Polar Day (ACLOUD) aircraft campaign and the Physical Feedbacks of Arctic Boundary Layer, Sea Ice, Cloud and Aerosol (PASCAL) ice breaker expedition. Both observational studies were performed in the framework of the German Arctic Amplification: Climate Relevant Atmospheric and Surface Processes, and Feedback Mechanisms (AC)3 project. They took place in the vicinity of Svalbard, Norway, in May and June 2017. ACLOUD and PASCAL explored four pieces of the Arctic cloud puzzle: cloud properties, aerosol impact on clouds, atmospheric radiation, and turbulent dynamical processes. The two instrumented Polar 5 and Polar 6 aircraft; the icebreaker Research Vessel (R/V) Polarstern ; an ice floe camp including an instrumented tethered balloon; and the permanent ground-based measurement station at Ny-Ålesund, Svalbard, were employed to observe Arctic low- and mid-level mixed-phase clouds and to investigate related atmospheric and surface processes. The Polar 5 aircraft served as a remote sensing observatory examining the clouds from above by downward-looking sensors; the Polar 6 aircraft operated as a flying in situ measurement laboratory sampling inside and below the clouds. Most of the collocated Polar 5/6 flights were conducted either above the R/V Polarstern or over the Ny-Ålesund station, both of which monitored the clouds from below using similar but upward-looking remote sensing techniques as the Polar 5 aircraft. Several of the flights were carried out underneath collocated satellite tracks. The paper motivates the scientific objectives of the ACLOUD/PASCAL observations and describes the measured quantities, retrieved parameters, and the applied complementary instrumentation. Furthermore, it discusses selected measurement results and poses critical research questions to be answered in future papers analyzing the data from the two field campaigns.

With the Arctic rapidly changing, the needs to observe, understand, and model the changes are essential. To support these needs, an annual cycle of observations of atmospheric properties, processes, and interactions were made while drifting with the sea ice across the central Arctic during the Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition from October 2019 to September 2020. An international team designed and implemented the comprehensive program to document and characterize all aspects of the Arctic atmospheric system in unprecedented detail, using a variety of approaches, and across multiple scales. These measurements were coordinated with other observational teams to explore cross-cutting and coupled interactions with the Arctic Ocean, sea ice, and ecosystem through a variety of physical and biogeochemical processes. This overview outlines the breadth and complexity of the atmospheric research program, which was organized into 4 subgroups: atmospheric state, clouds and precipitation, gases and aerosols, and energy budgets. Atmospheric variability over the annual cycle revealed important influences from a persistent large-scale winter circulation pattern, leading to some storms with pressure and winds that were outside the interquartile range of past conditions suggested by long-term reanalysis. Similarly, the MOSAiC location was warmer and wetter in summer than the reanalysis climatology, in part due to its close proximity to the sea ice edge. The comprehensiveness of the observational program for characterizing and analyzing atmospheric phenomena is demonstrated via a winter case study examining air mass transitions and a summer case study examining vertical atmospheric evolution. Overall, the MOSAiC atmospheric program successfully met its objectives and was the most comprehensive atmospheric measurement program to date conducted over the Arctic sea ice. The obtained data will support a broad range of coupled-system scientific research and provide an important foundation for advancing multiscale modeling capabilities in the Arctic.

Large‐eddy simulations (LES) with the new ICOsahedral Non‐hydrostatic atmosphere model (ICON) covering Germany are evaluated for four days in spring 2013 using observational data from various sources. Reference simulations with the established Consortium for Small‐scale Modelling (COSMO) numerical weather prediction model and further standard LES codes are performed and used as a reference. This comprehensive evaluation approach covers multiple parameters and scales, focusing on boundary‐layer variables, clouds and precipitation. The evaluation points to the need to work on parametrizations influencing the surface energy balance, and possibly on ice cloud microphysics. The central purpose for the development and application of ICON in the LES configuration is the use of simulation results to improve the understanding of moist processes, as well as their parametrization in climate models. The evaluation thus aims at building confidence in the model's ability to simulate small‐ to mesoscale variability in turbulence, clouds and precipitation. The results are encouraging: the high‐resolution model matches the observed variability much better at small‐ to mesoscales than the coarser resolved reference model. In its highest grid resolution, the simulated turbulence profiles are realistic and column water vapour matches the observed temporal variability at short time‐scales. Despite being somewhat too large and too frequent, small cumulus clouds are well represented in comparison with satellite data, as is the shape of the cloud size spectrum. Variability of cloud water matches the satellite observations much better in ICON than in the reference model. In this sense, it is concluded that the model is fit for the purpose of using its output for parametrization development, despite the potential to improve further some important aspects of processes that are also parametrized in the high‐resolution model.

Atmospheric reanalyses covering the European region are mainly available as part of relatively coarse global reanalyses. The aim of this article is to present the development and evaluation of a next generation regional reanalysis for the European CORDEX EUR‐11 domain with a horizontal grid spacing of approximately 6 km. In this context, a reanalysis is understood to be an assimilation of heterogeneous observations with a physical model such as a numerical weather prediction (NWP) model. The reanalysis system presented here is based on the NWP model COSMO by the German Meteorological Service (Deutscher Wetterdienst) using a continuous nudging scheme. In order to assess the added value of data assimilation, a dynamical downscaling experiment has been conducted, i.e. an identical model set‐up but without data assimilation. Both systems have been evaluated for a 1 year test period, employing standard measures such as analysis increments, biases, or log‐odds ratios, as well as tests for distributional characteristics. An important aspect is the evaluation from different perspectives and with independent measurements such as satellite infrared brightness temperatures using forward operators, integrated water vapour from GPS stations, and ceilometer cloud cover. It can be shown that the reanalysis better resolves local extreme events; this is basically an effect of the higher spatio‐temporal resolution, as known from dynamical downscaling approaches. However, an important criterion for regional reanalyses is the coherence with independent observations of high temporal and spatial resolution, resulting in significant improvement over dynamical downscaling. The system is intended to become operational within a year, continuously reprocessing and evaluating longer time periods. The reanalysis data are planned to become available to the research community within a year.

Abstract The North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment (NAWDEX) explored the impact of diabatic processes on disturbances of the jet stream and their influence on downstream high-impact weather through the deployment of four research aircraft, each with a sophisticated set of remote sensing and in situ instruments, and coordinated with a suite of ground-based measurements. A total of 49 research flights were performed, including, for the first time, coordinated flights of the four aircraft: the German High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO), the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Dassault Falcon 20, the French Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement (SAFIRE) Falcon 20, and the British Facility for Airborne Atmospheric Measurements (FAAM) BAe 146. The observation period from 17 September to 22 October 2016 with frequently occurring extratropical and tropical cyclones was ideal for investigating midlatitude weather over the North Atlantic. NAWDEX featured three sequences of upstream triggers of waveguide disturbances, as well as their dynamic interaction with the jet stream, subsequent development, and eventual downstream weather impact on Europe. Examples are presented to highlight the wealth of phenomena that were sampled, the comprehensive coverage, and the multifaceted nature of the measurements. This unique dataset forms the basis for future case studies and detailed evaluations of weather and climate predictions to improve our understanding of diabatic influences on Rossby waves and the downstream impacts of weather systems affecting Europe.

Trade-wind cumuli constitute the cloud type with the highest frequency of occurrence on Earth, and it has been shown that their sensitivity to changing environmental conditions will critically influence the magnitude and pace of future global warming. Research over the last decade has pointed out the importance of the interplay between clouds, convection and circulation in controling this sensitivity. Numerical models represent this interplay in diverse ways, which translates into different responses of trade-cumuli to climate perturbations. Climate models predict that the area covered by shallow cumuli at cloud base is very sensitive to changes in environmental conditions, while process models suggest the opposite. To understand and resolve this contradiction, we propose to organize a field campaign aimed at quantifying the physical properties of trade-cumuli (e.g., cloud fraction and water content) as a function of the large-scale environment. Beyond a better understanding of clouds-circulation coupling processes, the campaign will provide a reference data set that may be used as a benchmark for advancing the modelling and the satellite remote sensing of clouds and circulation. It will also be an opportunity for complementary investigations such as evaluating model convective parameterizations or studying the role of ocean mesoscale eddies in air-sea interactions and convective organization.

Abstract Within the framework of the international field campaign COPS (Convective and Orographically‐induced Precipitation Study), a large suite of state‐of‐the‐art meteorological instrumentation was operated, partially combined for the first time. This includes networks of in situ and remote‐sensing systems such as the Global Positioning System as well as a synergy of multi‐wavelength passive and active remote‐sensing instruments such as advanced radar and lidar systems. The COPS field phase was performed from 01 June to 31 August 2007 in a low‐mountain area in southwestern Germany/eastern France covering the Vosges mountains, the Rhine valley and the Black Forest mountains. The collected data set covers the entire evolution of convective precipitation events in complex terrain from their initiation, to their development and mature phase until their decay. Eighteen Intensive Observation Periods with 37 operation days and eight additional Special Observation Periods were performed, providing a comprehensive data set covering different forcing conditions. In this article, an overview of the COPS scientific strategy, the field phase, and its first accomplishments is given. Highlights of the campaign are illustrated with several measurement examples. It is demonstrated that COPS research provides new insight into key processes leading to convection initiation and to the modification of precipitation by orography, in the improvement of quantitative precipitation forecasting by the assimilation of new observations, and in the performance of ensembles of convection‐permitting models in complex terrain. Copyright © 2010 Royal Meteorological Society

A new German research consortium is investigating why near-surface air temperatures in the Artic are rising more quickly than in the rest of the world.

More than one hundred days were simulated over very large domains with fine (0.156 km to 2.5 km) grid spacing for realistic conditions to test the hypothesis that storm (kilometer) and large-eddy (hectometer) resolving simulations would provide an improved representation of clouds and precipitation in atmospheric simulations. At scales that resolve convective storms (storm-resolving for short), the vertical velocity variance becomes resolved and a better physical basis is achieved for representing clouds and precipitation. Similarly to past studies we found an improved representation of precipitation at kilometer scales, as compared to models with parameterized convection. The main precipitation features (location, diurnal cycle and spatial propagation) are well captured already at kilometer scales, and refining resolution to hectometer scales does not substantially change the simulations in these respects. It does, however, lead to a reduction in the precipitation on the time-scales considered – most notably over the ocean in the tropics. Changes in the distribution of precipitation, with less frequent extremes are also found in simulations incorporating hectometer scales. Hectometer scales appear to be more important for the representation of clouds, and make it possible to capture many important aspects of the cloud field, from the vertical distribution of cloud cover, to the distribution of cloud sizes, and to the diel (daily) cycle. Qualitative improvements, particularly in the ability to differentiate cumulus from stratiform clouds, are seen when one reduces the grid spacing from kilometer to hectometer scales. At the hectometer scale new challenges arise, but the similarity of observed and simulated scales, and the more direct connection between the circulation and the unconstrained degrees of freedom make these challenges less daunting. This quality, combined with already improved simulation as compared to more parameterized models, underpins our conviction that the use and further development of storm-resolving models offers exciting opportunities for advancing understanding of climate and climate change.