MESCAL at a glance

MESCAL is an enhanced spaceborne backscatter LIDAR concept mission, dedicated to advanced studies of clouds and aerosols to better understand the effects of climate change. The expected launched date is 2028. 

This concept was born from 10 years of fruitful FR-US scientific collaboration around the CALIPSO mission, launched in 2006: MESCAL is the CALIOP new generation’s Lidar able to meet the challenge of climate science questions. 

The concept was selected by the call for ideas during CNES prospective in 2014 and, since the US Decadal Survey (DS) 2017-2027 issue, is currently studied through the ACCP [Aerosols, Clouds, Convection, Precipitation] mission. The science goals are highlighted in the SATM [Science and Application Traceability Matrix].

MESCAL is supported by numerous scientists from the EECLAT group and French labs. The Langley Research Center (LaRC) is the US longtime partner.

Phase 0 Background

MESCAL has been jointly studied through a phase 0 during 4 years, involving French scientists, CNES engineers and NASA/LaRC scientists and engineers’ as well as French industry support. 

Early 2019, a CNES project manager was appointed for driving a phase A1, including an UV channel on a LaRC LIDAR and a microwave radiometer on a JPL platform.

MESCAL has been discussed during several progress reviews (PR1, PR2, PR3, PR3.5, PR4, PR4.5) as well as dedicated science discussions for STM [Science Traceability Matrix] and UV Channel as well as during the EECLAT annual meetings in January as well as biweekly technical meetings.

During the first three years, several scientists of the EECLAT group have been consulted to give advices on various facets of the MESCAL project (in complement to the mission group), and some were asked to assist to dedicated meeting with CNES and/or NASA to help the project with their expertise. 

The Science traceability matrix (STM) has been issued as the baseline for the mission feasibility, design and performances studies. According this STM, a MRD (mission requirement document) has been issued by CNES for ADS phase 0 studies.

Summary of ADS phase 0 studies

The phase 0.1 (Nov 2016- to march 2017) deals on instrument and satellite architectures and defined subsystem characteristics. Both CNES and NASA seemed to agree on the fact that the laser would likely be provided by US industry based on the performances presented. First performance results highlight TRL increase needs on detection, filtering and calibration. Three scenarios (Threshold, Breaktrough and enhanced) were studied but it was concluded that the enhanced LIDAR scenario is too expensive and more detailed cost studies have been carried on, both by CNES and Larc.

The phase 0.2 (April 2017 to autumn 2018) deals on cost analysis within a FR receiver prime approach. HSR filters, detector technology and calibration are more deeply investigated and performances results become more confident.

A phase 0.2+ (March to autumn 2018) deals on a technical comparison on two sharing scenarios. Either France is receiver prime with VIS and fluo channels as a single US CFI or US is receiver prime with UV-IR channels as a FR CFI. The calibration of the perpendicular channel will also more deeply investigate.

The phase 0 ended late 2018. On June 25th, prior PR4.5 meeting, CNES informed FR Labs on the process of a phase A transition in order to support the NASA preliminary study. 

Since Decadal Survey report, on January 2018, MESCAL is now a possible concept of an ACCP mission. As a result, a competitive process is currently carried out, it aims to get the best mission for September 2021 and the roadmap is now monitored by NASA Headquarterthrough the ACCP mission process. 

Science and applications priorities, according decadal survey report

The properties and profiles of aerosols and clouds should be observed first to answer the scientific questions listed hereunder. A backscatter LIDAR is identified as the main tool for these purposes.

Reducing Climate Uncertainty and Informing Societal Response

  • (C-2)How can we reduce the uncertainty in the amount of future warming of the Earth as a function of fossil fuel emissions, improve our ability to predict local and regional climate response to natural and anthropogenic forcings, and reduce the uncertainty in global climate sensitivity that drives uncertainty in future economic impacts and mitigation/adaptation strategies?
  • (C-5)Impact of aerosols on global warming

Coupling of the Water and Energy Cycles

  • (H-1)How is the water cycle changing?

Extending and Improving Weather and Air Quality Forecasts

  • (W-1)What planetary boundary layer (PBL) processes are integral to the air-surface (land, ocean and sea ice) exchanges of energy, momentum and mass, and how do these impact weather forecasts and air quality simulations?
  • (W-2)How can environmental predictions of weather and air quality be extended to forecast Earth System conditions at lead times of 1 week to 2 months?
  • (W-4)Why do convective storms, heavy precipitation, and clouds occur exactly when and where they do?
  • (W-5)What processes determine the spatio-temporal structure of important air pollutants and their concomitant adverse impact on human health, agriculture, and ecosystems?
  • (W-10)Cloud impacts on radiative forcing and weather predictability

More detail:targeted observable (TO) of decadal survey regarding measurement approach

More detail:ACCP Goals regarding measurement and mission approaches

More detail:scientific goals with current boundaries and key parameters for the enhanced backscatter LIDAR

Clouds goals

Limites actuelles, besoins en observations spatiales pour progresser : 

  • Observer l’évolution de la distribution verticale détaillée des nuages, et de leur phase pendant 25 ans
  • Documenter les nuages optiquement fins au-dessus des surfaces réfléchissantes.
  • Documenter finement les nuages de couche limite, en particulier au-dessus des océans pour construire une « climate record ».

Key parameters for the enhanced backscatter LIDAR

SNR, résolution verticale et horizontale, stabilité de la mesure dans le temps, durée de vie de la mission, heure de passage, longueur d’onde, polarisation ; capacité à inter-calibrer les observations collectées par la mission A avec celles des lidars spatiaux CALIPSO et ATLID/EarthCare 

aérosols and Cloud-aérosol interactionsGOAL

Limites actuelles, besoins en observations spatiales pour progresser : 

  • Progresser dans la spéciation des aérosols observés depuis l’espace
  • Mieux détecter et caractériser (profil + typing) les aérosols au-dessus des continents, en particulier de jour.
  • Mieux détecter et caractériser (profil + typing)  les aérosols de faible épaisseur optique, au-dessus des océans et des continents. 
  • + Les besoins listés dans l’objectif nuages ci-dessus.

Key parameters for the enhanced backscatter LIDAR

SNR, résolution verticale et horizontale, multi-longueurs d’onde, polarisation, haute résolution spectrale, heure de passage 

Application : weather and air quality

Limites actuelles, besoins en observations spatiales pour progresser : 

  • Disponibilité des observations spatiales lidar en temps quasi-réel.
  • Progresser dans la spéciation des aérosols observés depuis l’espace
  • Mieux détecter et spécifier les aérosols au-dessus des continents, en particulier de jour.
  • Mieux détecter et spécifier les aérosols de faible épaisseur optique, au-dessus des océans et des continents. 

Key parameters for the enhanced backscatter LIDAR

SNR, résolution verticale et horizontale, multi-longueurs d’onde, polarisation, haute résolution spectrale, heure de passage 

A-CCP: The international context

The ACCP mission is the association of two designated missions follow up of CALIPSO and CloudSat, 800 M$ cost capped for each mission from FY 2017-27. [see more, targeted observables]A preliminary study phase started on October 2018 until September 2021. This phase is a competition process to get the best instrument concept matching with science goals highlighted by the decadal survey report. 

A kickoff meeting was held in April 2019 in Pasadena for science objectives discussion, based on a SATM (Science and application traceability Matrix), release C. French scientists attended and advocated the added value of the UV channel for Clouds and Aerosols on the ACCP LIDAR. The FR approach was widely acknowledged and accepted by the international community as a significant added value. 


Request for information (RFI) instrument concepts have been delivered on Aril NASA-HQ for a first review and selection by SET [System Engineering Team] and SALT [Science & Application Leadership Team] on May 14thto 16th. An iterative process, aiming going more deeply in details, shall reveal an instrumental concept compliant with science goals, instrumental maturity, risk and budget, at the end of the preliminary study in September 2021.

At the same time, a release D of the SATM is foreseen in early July 2019.

French scientists and engineers are expected formally integrate into ACCP team including the SALT [Science and Application Leadership Team], SIT [Science Impact Team] and SET [System Engineering Teams] of the NASA-ACCP process’s. 

ACCP organigram

FR agreements with LaRC

Fr labs and CNES advocates for an advanced UV channel. 

On August 2018, was held a progress review (PR4.5) with LaRC. An agreement was found to give to French Community the responsibility of an UV receiver in term of science, UV receiver delivery and UV channel funding. LaRC and CNES will jointly submit 4 scenarios, 2 of them will include an UV HSRL channel. 

  • For strengthen the leadership of the French community on UV expertise in the continuity of AEOLUS mission (launched in 2018) and EarthCARE mission (to be launched in 2021).
  • For the scientific added value of a three wavelengths LIDAR èMore detail :
  1. 532 + 1064 nm backscatter LIDAR (CALIOP-like in many ways)  
  2. 532 + 1064 nm backscatter LIDAR (CALIOP-like in many ways) + 355 HSRL
  3. 532 HSRL + 1064 backscatter LIDAR
  4. 355 HSRL + 532 HSRL + 1064 backscatter LIDAR (similar to the current MESCAL LIDAR concept; some parameters may change [e.g., laser pulse rate, telescope size, etc.])
  • The French community is in charge of the UV channel including science justification, UV receiver delivery and UV activities funding.
  • LaRC and CNES agreed to work collaboratively to build the best instrumental concept.
  • Regarding ground segment, LaRC also agreed to jointly develop algorithms (L0, L1, and L2) and operational code and that all science data will be delivered to both partners without delay.


For the scientific added value of a three wavelengths LIDAR 

  • Aérosols et Interactions aérosols-nuages :

Meilleure caractérisation des propriétés optiques des aérosols (rétrodiffusion, extinction et dépolarisation).

Meilleure discrimination entre les types d’aérosols selon leurs tailles et compositions, qui présentent différents rapports de couleurs ou « color ratio » entre les voies 532 et 355 nm. 

Meilleure discrimination entre aérosols et nuages.

  • Clouds:

Meilleure inter-calibration des observations CALIPSO, EarthCare, et Mescal.

Construction d’une série climatique lidar de 25 ans de qualité suffisante pour contraindre les prévisions d’évolution du climat. En effet le changement des nuages en réponse au forçage anthropique ne pourra être détecté que si la série climatique lidar est de qualité suffisante. Les nombreuses études utilisant la télédétection passive ont montré la difficulté d’inter-calibrer des missions successives lorsque les instruments ne sont pas exactement les mêmes. Pour les lidars spatiaux, il s’agira de la première tentative de réconciliation des observations collectées par plusieurs missions.

  • Océan :

Meilleure caractérisation de la dégradation de la matière organique, en particulier dans les régions polaires, par le biais du rayonnement UV (i.e., inférieur à 400 nm) pénétrant dans la colonne d’eau.

More detail: see ACCP KO

FR Labs contribution to ACCP pre-formulation studies

The approach of Fr Labs organization aims to produce publications to be submitted to international comity review, for UV justification. Thesis subjects and computing engineer’s positions have been identified. This approach includes instrumental support for increasing technology readiness level until TRL 6, which is the level required in mid-2024 for the ACCP PDR review as well as validating the concept on FRLabs’s in-situ facilities.

  • approach for UV channel justification

Prior ACCP instrumental concept selection in September 2021, the UV channel shall be justified by some internationally reviewed publications This activity will be carried out by FR labs; it is organized in six work packages with a dedicated team and a leader. 

WP1Analyse de la qualité de la mesure lidar 355nm L1 (et L2). SNR, Moyennage, Différence de Wv, HSRL, vs autre, comparaison: IPRAL, AEOLUS, LNG, CALIPSO.M.ChiriacoV.Noel
WP2Aérosols algorithmesJ.Cuesta
WP3Aérosols forcing, clouds-aerosols interactions (observations and models)S.Turquety
WP4Clouds feedbacksH.Chepfer
WP5Simulations haute résolution Aérosols & nuagesD.P. Donovan
WP6Air qualityL.El Amraoui

                       Four publications are foreseen

 Scientific publicationAuthor
1Qualité de la mesureFR-Labs
2Aérosols algorithmesFR-Labs
3Aérosols forcing, clouds-aerosols interactionsFR-Labs
4Cloud feedbacks FR-Labs

More detail: see detailed file

  • approach for UV channel testing

A faire

  • approach for UV channel cost and risk reduction

FR Labs scientific expertise

Summary of recent French scientific result

  • Clouds

Depuis plusieurs années, il est apparu que des longues séries de mesure de profils nuageux détaillés pourraient permettre d’observer la réponse des nuages au forçage anthropique. Chepfer et al. (2014) ont montré que les variations de la distribution verticale des nuages dues au forçage anthropique telles qu’elles sont prédites par les modèles et un simulateur lidar, sont inférieures aux variations naturelles de la distribution verticale des nuages. Des travaux parallèles ont montré que la distribution verticale des nuages mesurée par lidar était directement liées à l’effet radiatif des nuages dans les grandes longueurs d’onde (Guzman et al. 2017; Vaillant de Guélis et al., 2017a, 2017b, in review). 

Plus récemment, Chepfer et al. (2018) ont estimées les durées minimales de séries temporelles lidar spatial pour observer les rétroactions nuageuses telles qu’elles sont prévues par les modèles de climat. Nous focalisons aujourd’hui nos efforts sur le sommet des nuages hauts en région tropicale (Chepfer et al., 2018, Winker et al. 2017), la couverture nuageuse quasi-permanente de l’océan Austral (Frey et al., 2018), les nuages bas de couche limite tropicale (Chepfer et al. 2018) et les nuages des régions polaires susceptibles d’accélérer la fonte des glaces de surface (Lacour et al., 2017, 2018; Goosse et al., 2018, Morrisson et al. 2017). Les réflexions autour de la conception de la mission MESCAL ont été l’occasion de rendre les outils de recherche développés durant ces explorations scientifiques accessibles à un plus grand nombre (Chakroun et al., 2017). 

Ces travaux ont montré le potentiel des lidars spatiaux pour observer des signatures des rétroactions climatiques nuageuses telles qu’elles sont prévues par les modèles de climat. La mission MESCAL couplée aux observations EarthCare et CALIPSO permettra de construire un enregistrement climatique de l’évolution de la distribution vertical des nuages, sur une durée de 25 ans, utile pour réduire les incertitudes sur les rétroactions nuageuses et pour progresser dans notre compréhension de la sensibilité climatique au forçage anthropique. L’enjeu est de parvenir à réconcilier les observations des lidars spatiaux successifs, malgré leurs différences instrumentales, pour construire un enregistrement climatique de qualité.

More detail: see publications + quelques figures ?

  • Aerosols and clouds aerosols interactions

Ces travaux se déclinent à la fois à l’échelle régionale et à l’échelle globale.

A l’échelle globale, des travaux récents (Ma et al. 2018) ont montré que, dans les modèles de climat, les aérosols de très faible épaisseur optique ainsi que la spéciation des aérosols, influençaient de manière importante les estimations de la susceptibilité des nuages aux aérosols, de la susceptibilité des précipitations aux aérosols et de l’effet radiatif indirect des aérosols. Cette même étude a montré que les observations CALIPSO ne permettaient pas d’évaluer le réalisme des susceptibilités et de l’effet radiatif indirect simulés par les modèles pour deux raisons : 1) la qualité du signal (SNR) est insuffisante de jour pour détecter les couches d’aérosols d’épaisseur optique très fine 2) les mesures à 532 et 1064nm de CALIPSO sont insuffisantes pour bien caractériser les propriétés des aérosols.

A l’échelle régionale, les observations CALIPSO ont été utilisées pour évaluer le transport des aérosols et leur altitude d’injection dans le modèle de chimie-transport Chimère (Stromatas 2012, Vuelo 2009a et 2009b, Hodzic et al. 2004). Ces travaux à l’échelle régionale montrent également les limites de CALIPSO quant à la spéciation des aérosols et la détection des aérosols de jour. Après ces premières études, des travaux similaires ont été menées à ECMWF pour évaluer l’apport de l’assimilation des lidars spatiaux pour améliorer les prévisions de la qualité de l’air dans le cadre de la préparation à la mission EarthCare (Benedetti et al.). 

Parallèlement, plusieurs études portant sur la restitution des propriétés des aérosols à partir des observations lidar –éventuellement multi-longueurs d’ondes- ont été menées dans les laboratoires français (Bovchaliuk et al. 2016, Veselovskii et al.2016, 2017a, 2017b). Ces études contribuent à préparer et exploiter scientifiquement un lidar spatial multi-longueurs d’ondes.

More detail : see publications+ quelques figures

FR Labs Ground segment approach

A faire

FR Labs engineering expertises

  • Enhanced detection 

The first prototype of the brand new HgCdTe Avalanche Photodetectors Detector was tested by FR-Labs (LMD) in 2015. This detector is developed by CEA-LETI and it is still improved to get TRL4 in short term. It will meet all LIDAR signal detection requirements from UV to IR wavelengths (gain, bandwidth, large dynamic, low NEP, …) within the third generation foreseen in mid-2021 through HOLDON project. []

  • High spectral Resolution Filters

Advanced high spectral resolution filters are developed by FR Labs (LATMOS) since many years with a low risk approach for spatial point of view. And so, QMZ [quadri Mach-Zehnder) interferometers are compliant with a multimode laser to get rid of laser stability and to avoid servoloops.

A first generation of QMZ working at 355 nm was developed in 2014 for the LNG airborne LIDAR.

  • Calibration facilities

A faire

  • Lidar Performance review

A faire

Forthcoming events

  • The ESA/JAXA EarthCARE mission (UV Lidar ATLID) should be launch in end 2021. 
  • A Phase A kickoff is expected for French Labs to work on the same calendar as the ACCP preliminary study; it aims at publish review publications for adding a UV channel in the lidar. The UV channel validation on real atmospheric signal with FR labs facilities is also expected. This approach will enable ensuring the performance of the French UV channel to be compliant with ACCP’s competitive process. 
  • A progress review (PR5.0) between LaRC and France (CNES and FrLabs) shall be organized during summer 2019.