冷冻碎片 - “二级”冰雪的爆炸起源

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在Eutqiagvik(Barrow)的能量大气辐射测量(ARM)大气天文台(Barrow)中收集的数据表明,破碎的毛毛雨液滴在混合相云中形成“二次”冰中发挥着重要作用。结果将改善这些云流程如何在用于预测气候和局部降雪的计算模型中表示。信用:ARM用户设施

在略微过冷云中为毛毛雨的“冷冻碎片”的“冷冻碎片”的实际证据具有重要意义对预测天气和气候。

雪来自哪里?这看起来像是一个简单的问题,因为这一半的星球从一个观察异性剥落的季节从天空中掉下来,并从车道上铲起来。但是关于水在略微过冷北极云中如何成为冰的新研究可能会让你重新思考蓬松的东西的简单性。从美国能源部(DOE)Brookhaven国家实验室发表的研究国家科学院的诉讼程序包括新的直接证据,破碎毛毛雨液滴驱动爆炸性的“冰乘法”事件。该研究结果对天气预报,气候建模,供水甚至能源和运输基础设施有影响。

“Our results shed new light on prior lab-experiment-based understanding about how supercooled water droplets — water that’s still liquid below its freezing point — turn into ice and eventually snow,” said Brookhaven Lab atmospheric scientist Edward Luke, the lead author on the paper. The new results, from real-world long-term cloud radar and weather-balloon measurements in mixed-phase clouds (composed of liquid water and ice) at temperatures between 0 and -10 degrees科尔斯群岛(32和14°华氏温度),提供证据表明,冻结滴落的破碎碎片对冰是多少,并且可能从这些云层落下的冰。

“现在气候模型和天气预报模型用于确定你必须铲除多少雪可以通过使用更多的逼真物理来模拟”二次“冰形成,”卢克说。

什么是二级冰?

从过冷云中沉淀的雪通常来自“初级”冰颗粒,当水结晶时,它们在大气中选择微小的灰尘或气溶胶斑块,称为冰成核颗粒。然而,在稍微过冷的温度(即,0至-10°C),飞机观察表明,云可以含有更多的冰晶,而不是存在的相对较少的冰成核颗粒。这一现象几十年来困扰了大气研究界。科学家们认为解释是“二次”冰制造,其中额外的冰颗粒是由其他冰颗粒产生的。但在自然环境中捕捉过程中的行动过程一直很困难。

云层繁殖

本图显示了云中的冰倍增量如何受到快速下降的“旋转器”冰颗粒速度和毛毛雨尺寸的影响。彩虹秤上的红色表示产生的最高冰颗粒。冰倍增量到图的右侧的偏斜表明,毛毛腺下降直径比产生冰乘法的旋转速度更大地发挥着更大的作用。信誉:布鲁克汉国家实验室

以前的解释是如何在实验室实验和基于短期飞机的采样航班上依赖二次冰文依赖的解释。几个实验室实验中出现的共同理解是相对大,快速落水的冰颗粒,称为斜丝刀,可以“收集”和冻结微冷却云液滴 - 然后产生更多的冰颗粒,称为夹子。但事实证明,这样的“霜缝”并不是整个故事。

北极的新结果表明,较大的过冷水滴,分类为毛毛雨,在生产二次冰粒子方面发挥了更重要的作用而不是普遍认为。

“当冰颗粒击中其中一个毛毛雨滴滴时,它触发了冻结,首先在下降周围形成一个坚实的冰壳,”粉丝们在纸上的共同作者说明。“然后,随着冰冻向内移动时,压力开始构建,因为水随着它的冻结而膨胀。这种压力导致毛毛雨碎片破碎,产生更多的冰粒子。“

数据显示,这种“冻结碎片”过程可能是爆炸性的。

“如果你有一个冰粒子触发另一种冰颗粒的生产,那就不会那么重要了,”卢克说。“但我们已经提供了证据表明,通过这种层叠过程,毛毛雨冻结碎片可以增强云中的冰颗粒浓度10至100次 - 甚至有1,000次!

“我们的调查结果可以为缺少初级冰核颗粒的稀缺性与这些略微过冷云的降雪之间的错配。”

数百万样品

新的结果铰接在六年毫米波长多普勒雷达收集的六年内,位于富特式大气压测量(ARM)用户设施在阿拉斯加,阿拉斯加州举行的阿拉斯加,阿拉斯加,阿拉斯加。通过在整个研究期间从UTQIAGVIK发射的天气气球收集的温度,湿度和其他大气条件的测量,雷达数据互补。

Brookhaven实验室大气科学家和学习联合作家Pavlos Kollias,他也是Stony Brook大学大气科学院教授的教授,对这一毫米波雷达数据来说至关重要,以一种使科学家成为可能的方式推断出二次冰是如何形成的。

布鲁克汉实验室大气科学家

Brookhaven实验室大气科学家安德鲁Vogelmann,Edward Luke,范杨和Pavlos Kollias探索了二级冰雪的起源。信誉:布鲁克汉国家实验室

“自20世纪90年代以来,ARM先开创了使用短波云云,以更好地了解云的微观物理过程以及那些今天影响地球天气的影响。我们的团队领导了他们的数据采样策略的优化,因此可以获得关于本研究中提出的云和降水过程的信息,“Kollias表示。

雷达的毫米级波长使其对云中的冰颗粒和水滴的尺寸毫无敏感。其双极化提供有关颗粒形状的信息,允许科学家识别针状冰晶 - 略微过冷云条件中的二级冰颗粒的优先形状。每隔几秒钟记录的多普勒光谱观察会提供有关存在多少颗粒的信息以及它们朝向地面的速度有多速度。这些信息对于弄清楚有螺旋纱,毛毛雨和二级冰颗粒至关重要。

使用由卢克,杨和凯利斯开发的复杂的自动分析技术,科学家们扫描了数百万这些多普勒雷达光谱,以便通过尺寸和形状将颗粒分类为数据铲斗 - 并将数据与存在的同时气球的观察结果相匹配过冷云水,温度和其他变量。详细的数据挖掘允许它们比较不同条件下产生的二级冰针数:在仅限斜辋的存在下,旋转仪加淋雨,或只是毛毛雨。

“纯粹的观测量允许我们首次举出所有其他大气过程的”背景噪声“中的二次冰信号 - 并量化次要冰事件发生的方式和在次要冰事件发生的情况下。”

结果清楚:具有过冷淋浴的条件下降,产生了戏剧性的冰乘法事件,更多的比较斜叶。

短期和长期影响

这些现实世界的数据使科学家能够为各种云条件量化“冰乘法因子”,这将改善准确性气候模型与天气预报。

“天气预报模型无法处理云微手术过程的全部复杂性。这项研究中的另一个共同作者,否则我们需要节省计算,否则你永远不会得到预测,“Andrew Vogelmann说。“要这样做,你必须弄清楚物理学的哪些方面是最重要的,然后在模型中尽可能准确地占该物理学。这项研究明确表示在这些混合阶段云中了解毛毛雨至关重要。“

除了帮助您预算需要多余的时间来铲除您的车道并开始工作,更清楚地了解推动二次冰形成的东西,可以帮助科学家更好地预测流域中的积雪,全年提供饮用水。新数据还将有助于提高我们对云层粘的长度的理解,这对气候产生了重要的影响。

“由二级冰制造产生的更多冰颗粒对降水产生巨大影响,太阳辐射(阳光云反射到空间),水循环和混合相云的演变,”杨说。

云寿命对北极,卢克和Vogelmann指出的气候尤为重要,北极气候对于地球上整体能量平衡非常重要。

“混合相云,它们在其中的过冷液体水和冰颗粒,可以持续数周在北极地区,”Vogelmann说。“但如果你有一堆冰粒子,云可以在成长并落到地面后被清除。然后你将有阳光能够直接直通,开始加热地面或海洋表面。“

这可能会改变地面上雪和冰的季节性,导致融化,然后甚至不那么反映阳光和更多的加热。

“If we can predict in a climate model that something is going to change the balance of ice formation, drizzle, and other factors, then we’ll have a better ability to anticipate what to expect in future weather and climate, and possibly be better prepared for these impacts,” Luke said.

参考:“使用遥感观测在北极稍微过冷混合相云的新见解北极”的遥感观测“由Edward P. Luke,范阳,Pavlos Kollias,Andrew M. Vogelmann和Maximilian Maahn,3月22日,国家科学院的诉讼程序
DOI:10.1073 / PNAS.2021387118

Mahimilian Maahn,现在在Leipzig大学,是这项研究的另一个共同作者。在研究时,他与环境科学研究所的合作研究所,国家海洋和大气管理(NOAA)和科罗拉多大学博尔德之间的伙伴关系。

该研究由DOE科学办公室(大气系统研究 - ASR)和NOAA资助。ARM用户设施由Doe Science Office(BER)提供支持。

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