Vertical profiles of the linear particle depolarization ratio of pure dust clouds were measured during the Saharan Mineral Dust Experiment (SAMUM) at Ouarzazate, Morocco (30.9◦N, –6.9◦E), close to source regions in May–June 2006, with four lidar systems at four wavelengths (355, 532, 710 and 1064 nm). The intercomparison of the lidar systems is accompanied by a discussion of the different calibration methods, including a new, advanced method, and a detailed error analysis. Over the whole SAMUM periode pure dust layers show a mean linear particle depolarization ratio at 532 nm of 0.31, in the range between 0.27 and 0.35, with a mean Ångström exponent (AE, 440–870 nm) of 0.18 (range 0.04–0.34) and still high mean linear particle depolarization ratio between 0.21 and 0.25 during periods with aerosol optical thickness less than 0.1, with a mean AE of 0.76 (range 0.65–1.00), which represents a negative correlation of the linear particle depolarization ratio with the AE. A slight decrease of the linear particle depolarization ratio with wavelength was found between 532 and 1064 nm from 0.31 ± 0.03 to 0.27 ± 0.04.

During the SAMUM 2006 field campaign in southern Morocco, physical and chemical properties of desert aerosols were measured. Mass concentrations ranging from 30μgm−3 for PM2.5 under desert background conditions up to 300 000μgm−3 for total suspended particles (TSP) during moderate dust storms were measured. TSP dust concentrations are correlated with the local wind speed, whereasPM10 andPM2.5 concentrations are determined by advection from distant sources. Size distributions were measured for particles with diameter between 20 nm and 500μm (parametrizations are given). Two major regimes of the size spectrum can be distinguished. For particles smaller than 500 nm diameter, the distributions show maxima around 80 nm, widely unaffected of varying meteorological and dust emission conditions. For particles larger than 500 nm, the range of variation may be up to one order of magnitude and up to three orders of magnitude for particles larger than 10μm. The mineralogical composition of aerosol bulk samples was measured by X-ray powder diffraction. Major constituents of the aerosol are quartz, potassium feldspar, plagioclase, calcite, hematite and the clay minerals illite, kaolinite and chlorite. A small temporal variability of the bulk mineralogical composition was encountered. The chemical composition of approximately 74 000 particles was determined by electron microscopic single particle analysis. Three size regimes are identified: for smaller than 500 nm in diameter, the aerosol consists of sulphates and mineral dust. For larger than 500 nm up to 50μm, mineral dust dominates, consisting mainly of silicates, and—to a lesser extent—carbonates and quartz. For diameters larger than 50μm, approximately half of the particles consist of quartz. Time series of the elemental composition show a moderate temporal variability of the major compounds. Calcium-dominated particles are enhanced during advection from a prominent dust source in Northern Africa (Chott El Djerid and surroundings). The particle aspect ratio was measured for all analysed particles. Its size dependence reflects that of the chemical composition. For larger than 500 nm particle diameter, a median aspect ratio of 1.6 is measured. Towards smaller particles, it decreases to about 1.3 (parametrizations are given). From the chemical/mineralogical composition, the aerosol complex refractive index was determined for several wavelengths from ultraviolet to near-infrared. Both real and imaginary parts show lower values for particles smaller than 500 nm in diameter (1.55–2.8 × 10−3i at 530 nm) and slightly higher values for larger particles (1.57–3.7 × 10−3i at 530 nm).

Samples from two strong homogeneous dust plumes from the Saharan desert reaching Izaña (Tenerife, Spain) in July and August 2005 were taken with a miniature impactor system and filter samplers. Size, aspect ratio and chemical composition of more than 22,000 individual particles were studied by scanning electron microscopy. The mineralogical phase composition of about 200 particles was investigated by transmission electron microscopy. In addition, the aerosol size distribution was measured with an optical particle spectrometer. In all samples, the aerosol was dominated by mineral dust with an average composition (by volume) of 64% silicates, 6% quartz, 5% calcium-rich particles, 14% sulfates, 1% hematite, 1% soot and 9% other carbonaceous material. Sulfate was found predominantly as coating on other particles with an average thickness of approximately 60 nm. The aerosol calcium content is correlated with the calcite concentrations of soils in the source region, highest values were observed for northern and central Algeria and Morocco. The average aspect ratio of the particles was 1.64. The distributions of the aspect ratios are parameterized by log-normal functions for modeling purpose. Single-scattering albedo (0.95) and asymmetry factor (0.74–0.81) was measured by polar aerosol photometry on filter samples using a light source resembling the solar spectrum. The apparent soot content of the sample (1 vol%) was determined by the same technique. From the mineralogical data, an average complex refractive index of 1.59–9×10−3i for visible light was derived. The imaginary part of the complex refractive index decreases with increasing particle size from −2.5×10−2i to <−10−3i, reflecting the decreasing hematite and soot contents. The imaginary part derived from optical measurements was −7×10−3i.

Atmospheric mineral dust has recently become an important research field in Earth system science because of its impacts on radiation, clouds, atmospheric dynamics and chemistry, air quality, and biogeochemical cycles. Studying and modeling dust emission and transport over the world's largest source region, the Sahara, is particularly challenging because of the complex meteorology and a very sparse observational network. Recent advances in satellite retrievals together with ground‐ and aircraft‐based field campaigns have fostered our understanding of the spatiotemporal variability of the dust aerosol and its atmospheric drivers. We now have a more complete picture of the key processes in the atmosphere associated with dust emission. These cover a range of scales from (1) synoptic scale cyclones in the northern sector of the Sahara, harmattan surges and African easterly waves, through (2) low‐level jets and cold pools of mesoscale convective systems (particularly over the Sahel), to (3) microscale dust devils and dusty plumes, each with its own pronounced diurnal and seasonal characteristics. This paper summarizes recent progress on monitoring and analyzing the dust distribution over the Sahara and discusses implications for numerical modeling. Among the key challenges for the future are a better quantification of the relative importance of single processes and a more realistic representation of the effects of the smaller‐scale meteorological features in dust models. In particular, moist convection has been recognized as a major limitation to our understanding because of the inability of satellites to observe dust under clouds and the difficulties of numerical models to capture convective organization.

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.

Giant mineral dust particles (>75 μm in diameter) found far from their source have long puzzled scientists. These wind-blown particles affect the atmosphere's radiation balance, clouds, and the ocean carbon cycle but are generally ignored in models. Here, we report new observations of individual giant Saharan dust particles of up to 450 μm in diameter sampled in air over the Atlantic Ocean at 2400 and 3500 km from the west African coast. Past research points to fast horizontal transport, turbulence, uplift in convective systems, and electrical levitation of particles as possible explanations for this fascinating phenomenon. We present a critical assessment of these mechanisms and propose several lines of research we deem promising to further advance our understanding and modeling.

Abstract This paper introduces a newly compiled set of feature-based climatologies identified from ERA-Interim (1979–2014). Two categories of flow features are considered: (i) Eulerian climatologies of jet streams, tropopause folds, surface fronts, cyclones and anticyclones, blocks, and potential vorticity streamers and cutoffs and (ii) Lagrangian climatologies, based on a large ensemble of air parcel trajectories, of stratosphere–troposphere exchange, warm conveyor belts, and tropical moisture exports. Monthly means of these feature climatologies are openly available at the ETH Zürich web page (http://eraiclim.ethz.ch) and are annually updated. Datasets at higher resolution can be obtained from the authors on request. These feature climatologies allow studying the frequency, variability, and trend of atmospheric phenomena and their interrelationships across temporal scales. To illustrate the potential of this dataset, boreal winter climatologies of selected features are presented and, as a first application, the very unusual Northern Hemispheric winter of 2009/10 is identified as the season when most of the considered features show maximum deviations from climatology. The second application considers dry winters in the western United States and reveals fairly localized anomalies in the eastern North Pacific of enhanced blocking and surface anticyclones and reduced cyclones.

Abstract Predicting the West African monsoon (WAM) remains a major challenge for weather and climate models. We compare multiday continental‐scale simulations of the WAM that explicitly resolve moist convection with simulations which parameterize convection. Simulations with the same grid spacing but differing representations of convection isolate the impact of the representation of convection. The more realistic explicit convection gives greater latent and radiative heating farther north, with latent heating later in the day. This weakens the Sahel‐Sahara pressure gradient and the monsoon flow, delaying its diurnal cycle and changing interactions between the monsoon and boundary layer convection. In explicit runs, cold storm outflows provide a significant component of the monsoon flux. In an operational global model, biases resemble those in our parameterized case. Improved parameterizations of convection that better capture storm structures, their diurnal cycle, and rainfall intensities will therefore substantially improve predictions of the WAM and coupled aspects of the Earth system.