Growth and Melting of Atmospheric Ice Particles : Insights from Radar Observations

Näytä kaikki kuvailutiedot



Pysyväisosoite

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-52-5
Julkaisun nimi: Growth and Melting of Atmospheric Ice Particles : Insights from Radar Observations
Tekijä: Li, Haoran
Tekijän organisaatio: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Atmospheric Sciences
Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Ilmakehätieteiden tohtoriohjelma
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Doktorandprogrammet i atmosfärvetenskap
Julkaisija: Helsingin yliopisto
Päiväys: 2021-01-08
Kieli: eng
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-7276-52-5
http://hdl.handle.net/10138/322859
Opinnäytteen taso: Artikkeliväitöskirja
Tiivistelmä: Majority of precipitation in mid- to high-latitudes originates from ice clouds. In these clouds, atmospheric ice particles grow through various microphysical processes and may precipitate to the surface in the form of snowfall or rainfall. A large fraction of these clouds contain supercooled liquid water, which affects microphysical properties of ice particles. However, despite the importance of ice microphysics in mixed-phase clouds to the development of precipitation, our understanding of underlying processes is still lacking. In past decades, long-term continuous observations of clouds and precipitation have shown promise for addressing this challenge. To provide such observations, remote sensing instruments, such as weather and research cloud radars, have been widely utilized. In this thesis, operational weather radars and cloud radars are used to address some challenges specific to ice microphysics. Using dual-polarization weather radar observations collected over four years, we show how the shape of ice particles depends on rime mass fraction and present the parametrization of this dependence. This study also investigates the potential of using radar dual-polarization signatures to identify riming extent. Furthermore, the complexity of ice microphysics and the ambiguity of corresponding radar signatures motivate search for additional information, which can be used to infer ice microphysics. This work illustrates how radar characteristics of the melting layer can be linked to ice growth processes such as riming and aggregation. In natural clouds, ice particles are usually characterized by a large variety of habits. However, our interpretation of the melting layer usually assumes presence of a single class of ice particles with a certain shape. This study reports that two types of ice particles can produce different radar polarimetric signals in the melting layer. The melting signal of ice needles is employed to evaluate current melting layer detection methods. The melting layer of precipitation also plays a negative role, because it attenuates radio waves. Due to this largely unknown attenuation at milimeter wavelengths, cloud properties in rainfall are poorly documented by ground-based cloud radars. In this study, the melting layer attenuation at Ka- and W-bands is quantified using the differential attenuation technique based on multifrequency radar Doppler spectra observations. In addtion, the retrievals are used to evaluate previous modelling results.Valtaosa sateesta keski- ja korkeilla leveysasteilla on peräisin jääpilvistä. Ilmahän jääpartikkelit käyvät näissä pilvissä läpi mikrofysikaalisia kasvuprosesseja ja voivat sataa maanpinnalle vetenä tai lumena. Suuressa osassa näistä pilvistä on alijäähtynyttä vettä, joka vaikuttaa jääpartikkeleiden mikrofysikaalisiin ominaisuuksiin. Huolimatta jään mikrofysiikan suuresta merkityksestä sateelle sekapilvissä ymmärryksemme siihen liittyvistä prosesseista on yhä vajavaista. Viime vuosikymmeninä pitkäaikaiset jatkuvat mittaukset pilvistä ja sateesta ovat näyttäytyneet lupaavina tämän haasteen ratkaisemisen kannalta. Tällaisten havaintojen saamiseksi on käytetty laajasti kaukokartoitusmenetelmiä kuten säätutkia ja tutkimuskäyttöön suunniteltuja pilvitutkia. Tässä väitöskirjassa hyödynnetään näitä instrumenttityyppejä eräisiin nimenomaan jään mikrofysiikkaan liittyviin tutkimuskysymyksiin vastaamiseksi. Neljän vuoden aikana kerättyjen kaksoispolarisaatiotutkahavaintojen avulla osoitamme ja parametrisoimme, miten jääpartikkeleiden muoto riippuu huurteen massaosuudesta niissä. Työssä tutkitaan myös kaksoispolarisaation käyttämistä huurtumisen määrän arvioinnissa. Toisaalta jään mikrofysiikkaan liittyvien ilmiöiden ja ominaisuuksien monimuotoisuus ja niitä vastaavien tutkakaikujen moniselitteisyys kannustaa etsimään lisäinformaation lähteitä näiden ilmiöiden havaitsemisen tueksi. Tässä työssä havainnollistetaan tutkalla havaittavien sulantakerroksen tunnuspiirteiden yhdistämistä jääprosesseihin kuten lumikiteiden huurtumiseen ja yhteenliittymiseen. Pilvissä esiintyvät jääkiteet voidaan jakaa lukuisiin muotoluokkiin. Toisaalta tulkinnat sulamiskerroksen ominaisuuksista perustuvat yleensä oletuksiin tietyn yksittäisen muotoluokan kiteistä. Tässä työssä osoitetaan että sulantakerroksen tutkakaikuun vaikuttaa, minkä muotoisia jääkiteitä siinä sulaa. Sulantakerroksesta on myös haittaa tutkahavainnoissa, sillä se vaimentaa radioaaltoja. Tämän millimetriluokan aallonpituuksilla suuruudeltaan tuntemattoman vaimennuksen takia pilvien ominaisuuksia on vaikea tutkia sateella pilvitutkaa käyttäen. Tässä työssä sulamiskerroksen aiheuttama vaimennus kvantifioidaan Ka- ja W-taajuusalueilla soveltaen erotusvaimennusmenetelmää monitaajuuksisen tutkalaitteiston Doppler-spektrihavaintoihin. Tuloksia käytetään lisäksi aiempien mallinnustulosten arviointiin.
Avainsanat: atmospheric science
Tekijänoikeustiedot: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Tiedostot

Latausmäärä yhteensä: Ladataan...

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä
Li_Haoran_dissertation_2021.pdf 1.850MB PDF Avaa tiedosto

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot