Detailed structure of the tropical upper troposphere and lower stratosphere as revealed by balloon sonde observations of water vapor, ozone, temperature, and winds during the NASA TCSP and TC4 campaigns

Abstract

We report on balloon sonde measurements of water vapor and ozone using the cryogenic frost point hygrometer and electrochemical concentration cell ozonesondes made at Alajuela, Costa Rica (10.0°N, 84.2°W) during two NASA airborne campaigns: the Tropical Convective Systems and Processes (TCSP) mission in July 2005 and the Tropical Composition, Clouds, and Climate Coupling Experiment (TC4), July–August 2007. In both campaigns we found an upper troposphere that was frequently supersaturated but no evidence that deep convection had reached the tropopause. The balloon sondes were complemented by campaigns of 4 times daily high‐resolution radiosondes from mid‐June through mid‐August in both years. The radiosonde data reveal vertically propagating equatorial waves that caused a large increase in the variability of temperature in the tropical tropopause layer (TTL). These waves episodically produced cold point tropopauses (CPTs) above 18 km, yet in neither campaign was saturation observed above ∼380 K or 17 km. The averages of the water vapor minima below this level were 5.2 ppmv in TCSP and 4.8 ppmv in TC4, and the individual profile minima all lay at or above ∼360 K. The average minima in this 360–380 K layer provide a better estimate of the effective stratospheric entry value than the average mixing ratio at the CPT. We refer to this upper portion of the TTL as the tropopause saturation layer and consider it to be the locus of the final dehydration of nascent stratospheric air. As such, it is the local equivalent to the tape head of the water vapor tape recorder.La misión Sistemas y Procesos Convectivos Tropicales (TCSP) en julio de 2005 y el Experimento de Acoplamiento de Composición, Nubes y Clima Tropical (TC4) entre julio y agosto de 2007. En ambas campañas se observó una troposfera superior frecuentemente sobresaturada, pero sin evidencia de que la convección profunda hubiera alcanzado la tropopausa. Las sondas de globo se complementaron con campañas de radiosondeo de alta resolución cuatro veces al día desde mediados de junio hasta mediados de agosto en ambos años. Los datos de radiosondeo revelan ondas ecuatoriales que se propagan verticalmente y que causaron un gran aumento en la variabilidad de la temperatura en la capa de la tropopausa tropical (TTL). Estas ondas produjeron episódicamente tropopausas de punto frío (CPT) por encima de los 18 km, pero en ninguna de las campañas se observó saturación por encima de ∼380 K o 17 km. Los valores mínimos promedio de vapor de agua por debajo de este nivel fueron de 5,2 ppmv en TCSP y de 4,8 ppmv en TC4, y los mínimos de cada perfil se ubicaron en o por encima de ∼360 K. Los valores mínimos promedio en esta capa de 360–380 K proporcionan una mejor estimación del valor efectivo de entrada estratosférica que la razón de mezcla promedio en el CPT. Nos referimos a esta porción superior de la TTL como la capa de saturación de la tropopausa y la consideramos el lugar donde se produce la deshidratación final del aire estratosférico naciente. Como tal, es el equivalente local al cabezal de la grabadora de vapor de agua.