Abstract The Midlatitude Cirrus experiment (ML-CIRRUS) deployed the High Altitude and Long Range Research Aircraft (HALO) to obtain new insights into nucleation, life cycle, and climate impact of natural cirrus and aircraft-induced contrail cirrus. Direct observations of cirrus properties and their variability are still incomplete, currently limiting our understanding of the clouds’ impact on climate. Also, dynamical effects on clouds and feedbacks are not adequately represented in today’s weather prediction models. Here, we present the rationale, objectives, and selected scientific highlights of ML-CIRRUS using the G-550 aircraft of the German atmospheric science community. The first combined in situ–remote sensing cloud mission with HALO united state-of-the-art cloud probes, a lidar and novel ice residual, aerosol, trace gas, and radiation instrumentation. The aircraft observations were accompanied by remote sensing from satellite and ground and by numerical simulations. In spring 2014, HALO performed 16 flights above Europe with a focus on anthropogenic contrail cirrus and midlatitude cirrus induced by frontal systems including warm conveyor belts and other dynamical regimes (jet streams, mountain waves, and convection). Highlights from ML-CIRRUS include 1) new observations of microphysical and radiative cirrus properties and their variability in meteorological regimes typical for midlatitudes, 2) insights into occurrence of in situ–formed and lifted liquid-origin cirrus, 3) validation of cloud forecasts and satellite products, 4) assessment of contrail predictability, and 5) direct observations of contrail cirrus and their distinction from natural cirrus. Hence, ML-CIRRUS provides a comprehensive dataset on cirrus in the densely populated European midlatitudes with the scope to enhance our understanding of cirrus clouds and their role for climate and weather.

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.

Abstract The Deep Propagating Gravity Wave Experiment (DEEPWAVE) was designed to quantify gravity wave (GW) dynamics and effects from orographic and other sources to regions of dissipation at high altitudes. The core DEEPWAVE field phase took place from May through July 2014 using a comprehensive suite of airborne and ground-based instruments providing measurements from Earth’s surface to ∼100 km. Austral winter was chosen to observe deep GW propagation to high altitudes. DEEPWAVE was based on South Island, New Zealand, to provide access to the New Zealand and Tasmanian “hotspots” of GW activity and additional GW sources over the Southern Ocean and Tasman Sea. To observe GWs up to ∼100 km, DEEPWAVE utilized three new instruments built specifically for the National Science Foundation (NSF)/National Center for Atmospheric Research (NCAR) Gulfstream V (GV): a Rayleigh lidar, a sodium resonance lidar, and an advanced mesosphere temperature mapper. These measurements were supplemented by in situ probes, dropsondes, and a microwave temperature profiler on the GV and by in situ probes and a Doppler lidar aboard the German DLR Falcon. Extensive ground-based instrumentation and radiosondes were deployed on South Island, Tasmania, and Southern Ocean islands. Deep orographic GWs were a primary target but multiple flights also observed deep GWs arising from deep convection, jet streams, and frontal systems. Highlights include the following: 1) strong orographic GW forcing accompanying strong cross-mountain flows, 2) strong high-altitude responses even when orographic forcing was weak, 3) large-scale GWs at high altitudes arising from jet stream sources, and 4) significant flight-level energy fluxes and often very large momentum fluxes at high altitudes.

Abstract In this paper, a simulation chain is presented. This method comprises the precursor large-eddy simulation (LES) of a stably-stratified atmospheric boundary layer (ABL), the assimilation of the simulated mean velocities to measured wind profiles, and finally a simulation of the generated turbulent ABL flow passing through two wind turbines in a row. The high-resolved precursor simulation with a horizontal grid spacing of 3 m accounts for the characteristic turbulence of the stably-stratified ABL. Using an assimilation technique, the horizontal velocities are adapted accurately to the measured mean wind profiles for the WiValdi wind farm site at Krummendeich. The wakes of two wind turbines in a row with the assimilated inflow is successfully computed. With the simulation chain presented, it is possible to generate realistic atmospheric inflows for wind-turbine simulations with manageable computational effort.

Abstract Large-eddy simulations are conducted to investigate the impact of an actual decrease in turbine spacing on the wake structure for a small wind park consisting of two wind turbines in a row with a given rotor diameter D . A systematic variation of the inflow conditions (near-neutral and veering inflow) and the rotational direction of the rotors (clockwise and counterclockwise) provides an initial overview of the atmospheric flow fields in the wakes of both turbines. Whereas a smaller turbine spacing under near-neutral conditions results in a decrease of the streamwise flow component and an increase of turbulence, the situation is much more complicated under veering inflow. If a clockwise (counterclockwise) rotating turbine interacts with a Northern Hemispheric Ekman spiral, the combination of a rotor-induced v -component, which reduces (slightly amplifies) the meridional inflow velocity component, leads to a weakening (slight intensification) of this meridional wind in the vicinity of the downwind rotor.

Abstract Atmospheric turbulence poses a major risk to aviation. Besides airframe damage, it can cause injuries of passengers and crew when encountered unexpectedly. The Singapore Airlines flight SQ321 was on its way from London to Singapore when severe turbulence was encountered over Myanmar on 21 May 2024. In this study, it is analyzed how well the turbulence was predicted by the turbulent eddy dissipation rate (EDR) forecast index of the ECMWF integrated forecasting system (IFS). It was found that ECMWF IFS was able to predict the convection and associated turbulence 24 hr in advance. The state‐of‐the‐art probabilistic EDR forecasts based on IFS ensemble members predicted probabilities for EDR between 10% and 40% over Myanmar with higher values for shorter lead time (8‐hr forecast). Individual members predicted EDR . Knowledge about the characteristics of convection in the IFS forecasts is required to make proper use of the probabilities determined from the ensemble for such cases.