A Framework to Study Mixing Processes in the Marine Boundary Layer Using Water Vapor Isotope Measurements

• Published in: Geophysical Research Letters
• Main Authors: Benetti, Marion, Lacour, J.-L., Sveinbjörnsdóttir, Árný Erla, Aloisi, Giovanni, Reverdin, Gilles, Risi, Camille, Peters, Andrew J., Steen-Larsen, Hans Christian
• Other Authors: Institute of Earth Sciences Reykjavik, University of Iceland Reykjavik, Service d'études analytiques et de réactivité des surfaces (SEARS), Département de Physico-Chimie (DPC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Biogéochimie-Traceurs-Paléoclimat (BTP), Laboratoire d'Océanographie et du Climat : Expérimentations et Approches Numériques (LOCEAN), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut Pierre-Simon-Laplace (IPSL (FR_636)), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-École polytechnique (X)-Centre National d'Études Spatiales Toulouse (CNES)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Interactions et Processus au sein de la couche de Surface Océanique (IPSO), Laboratoire de Météorologie Dynamique (UMR 8539) (LMD), Département des Géosciences - ENS Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École des Ponts ParisTech (ENPC)-École polytechnique (X)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC), Bermuda Institute of Ocean Sciences (BIOS), Bjerknes Centre for Climate Research (BCCR), Department of Biological Sciences Bergen (BIO / UiB), University of Bergen (UiB)-University of Bergen (UiB), LEFE/IMAGO Icelandic Research Fund. Grant Number: 152229‐052 Icelandic Centre for Research—Equipment Fund. Grant Number: 1202340031 Carlsberg Foundation Danish Council for Independent Research—Natural Sciences. Grant Number: 10‐092850 NSF. Grant Number: OCE‐1130395
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: HAL CCSD 2018
• Subjects: marine boundary layer; mixing processes; water vapor isotopes; model; evaporation; [PHYS.PHYS.PHYS-GEO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Geophysics [physics.geo-ph]; North Atlantic
• Online Access: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01832245; https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01832245/document; https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01832245/file/Benetti_et_al-2018-Geophysical_Research_Letters.pdf; https://doi.org/10.1002/2018gl077167

We propose a framework using water vapor isotopes to study mixing processes in the marine boundary layer (MBL) during quiescent conditions, where we expect evaporation to contribute to the moisture budget. This framework complements the existing models, by taking into account the changing isotopic composition of the evaporation flux (δ e ), both directly in response to the mixing and indirectly in response to mixing and surface conditions through variations in MBL humidity. The robustness of the model is demonstrated using measurements from the North Atlantic Ocean. This shows the importance of considering the δ e variability simultaneous to the mixing of the lower free troposphere to the MBL, to simulate the MBL water vapor, whereas a mixing model using a constant δ e fails to reproduce the data. The sensitivity of isotope observations to evaporation and shallow mixing further demonstrates how these observations can constrain uncertainties associated with these key processes for climate feedback predictions.