The Spin-plane double probe instrument (SDP) is part of the FIELDS instrument suite of the Magnetospheric Multiscale mission (MMS). Together with the Axial double probe instrument (ADP) and the Electron Drift Instrument (EDI), SDP will measure the 3-D electric field with an accuracy of 0.5 mV/m over the frequency range from DC to 100 kHz. SDP consists of 4 biased spherical probes extended on 60 m long wire booms 90∘ apart in the spin plane, giving a 120 m baseline for each of the two spin-plane electric field components. The mechanical and electrical design of SDP is described, together with results from ground tests and calibration of the instrument.

The Axial Double Probe (ADP) instrument measures the DC to ∼100 kHz electric field along the spin axis of the Magnetospheric Multiscale (MMS) spacecraft (Burch et al., Space Sci. Rev., 2014, this issue), completing the vector electric field when combined with the spin plane double probes (SDP) (Torbert et al., Space Sci. Rev., 2014, this issue, Lindqvist et al., Space Sci. Rev., 2014, this issue). Two cylindrical sensors are separated by over 30 m tip-to-tip, the longest baseline on an axial DC electric field ever attempted in space. The ADP on each of the spacecraft consists of two identical, 12.67 m graphite coilable booms with second, smaller 2.25 m booms mounted on their ends. A significant effort was carried out to assure that the potential field of the MMS spacecraft acts equally on the two sensors and that photo- and secondary electron currents do not vary over the spacecraft spin. The ADP on MMS is expected to measure DC electric field with a precision of ∼1 mV/m, a resolution of ∼25 μV/m, and a range of ∼±1 V/m in most of the plasma environments MMS will encounter. The Digital Signal Processing (DSP) units on the MMS spacecraft are designed to perform analog conditioning, analog-to-digital (A/D) conversion, and digital processing on the ADP, SDP, and search coil magnetometer (SCM) (Le Contel et al., Space Sci. Rev., 2014, this issue) signals. The DSP units include digital filters, spectral processing, a high-speed burst memory, a solitary structure detector, and data compression. The DSP uses precision analog processing with, in most cases, >100 dB in dynamic range, better that −80 dB common mode rejection in electric field (E) signal processing, and better that −80 dB cross talk between the E and SCM (B) signals. The A/D conversion is at 16 bits with ∼1/4 LSB accuracy and ∼1 LSB noise. The digital signal processing is powerful and highly flexible allowing for maximum scientific return under a limited telemetry volume. The ADP and DSP are described in this article.

Shallow, maritime cumuli are ubiquitous over much of the tropical oceans, and characterizing their properties is important to understanding weather and climate. The Rain in Cumulus over the Ocean (RICO) field campaign, which took place during November 2004–January 2005 in the trades over the western Atlantic, emphasized measurements of processes related to the formation of rain in shallow cumuli, and how rain subsequently modifies the structure and ensemble statistics of trade wind clouds. Eight weeks of nearly continuous S-band polarimetric radar sampling, 57 flights from three heavily instrumented research aircraft, and a suite of ground- and ship-based instrumentation provided data on trade wind clouds with unprecedented resolution. Observational strategies employed during RICO capitalized on the advances in remote sensing and other instrumentation to provide insight into processes that span a range of scales and that lie at the heart of questions relating to the cause and effects of rain from shallow maritime cumuli.

The FIELDS instrumentation suite on the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission provides comprehensive measurements of the full vector magnetic and electric fields in the reconnection regions investigated by MMS, including the dayside magnetopause and the night-side magnetotail acceleration regions out to 25 Re. Six sensors on each of the four MMS spacecraft provide overlapping measurements of these fields with sensitive cross-calibrations both before and after launch. The FIELDS magnetic sensors consist of redundant flux-gate magnetometers (AFG and DFG) over the frequency range from DC to 64 Hz, a search coil magnetometer (SCM) providing AC measurements over the full whistler mode spectrum expected to be seen on MMS, and an Electron Drift Instrument (EDI) that calibrates offsets for the magnetometers. The FIELDS three-axis electric field measurements are provided by two sets of biased double-probe sensors (SDP and ADP) operating in a highly symmetric spacecraft environment to reduce significantly electrostatic errors. These sensors are complemented with the EDI electric measurements that are free from all local spacecraft perturbations. Cross-calibrated vector electric field measurements are thus produced from DC to 100 kHz, well beyond the upper hybrid resonance whose frequency provides an accurate determination of the local electron density. Due to its very large geometric factor, EDI also provides very high time resolution (∼1 ms) ambient electron flux measurements at a few selected energies near 1 keV. This paper provides an overview of the FIELDS suite, its science objectives and measurement requirements, and its performance as verified in calibration and cross-calibration procedures that result in anticipated errors less than 0.1 nT in B and 0.5 mV/m in E. Summaries of data products that result from FIELDS are also described, as well as algorithms for cross-calibration. Details of the design and performance characteristics of AFG/DFG, SCM, ADP, SDP, and EDI are provided in five companion papers.

The three-dimensional global wind field is the most important remaining measurement needed to accurately assess the dynamics of the atmosphere. Wind information in the tropics, high latitudes, and stratosphere is particularly deficient. Furthermore, only a small fraction of the atmosphere is sampled in terms of wind profiles. This limits our ability to optimally specify initial conditions for numerical weather prediction (NWP) models and our understanding of several key climate change issues. Because of its extensive wind measurement heritage (since 1968) and especially the rapid recent technology advances, Doppler lidar has reached a level of maturity required for a space-based mission. The European Space Agency (ESA)'s Atmospheric Dynamics Mission Aeolus (ADM-Aeolus) Doppler wind lidar (DWL), now scheduled for launch in 2015, will be a major milestone. This paper reviews the expected impact of DWL measurements on NWP and climate research, measurement concepts, and the recent advances in technology that will set the stage for space-based deployment. Forecast impact experiments with actual airborne DWL measurements collected over the North Atlantic in 2003 and assimilated into the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) operational model are a clear indication of the value of lidar-measured wind profiles. Airborne DWL measurements collected over the western Pacific in 2008 and assimilated into both the ECMWF and U.S. Navy operational models support the earlier findings. These forecast impact experiments confirm observing system simulation experiments (OSSEs) conducted over the past 25–30 years. The addition of simulated DWL wind observations in recent OSSEs performed at the Joint Center for Satellite Data Assimilation (JCSDA) leads to a statistically significant increase in forecast skill.