Indblik i komplicerede arktiske skyprocesser

Arktis har ændret sig hurtigere end resten af ​​planeten. Skyer påvirker overfladeenergibudgettet og, dermed, smeltning eller vækst af land- og havbaseret is. Mange arktiske skyer er "blandet fase, " bestående af både is- og væskepartikler samtidigt. Korrekt forudsigelse af opdelingen af ​​masse og overgange mellem disse to faser er afgørende for at forstå skyens påvirkninger af det arktiske klima. Hvorfor? Fordi ispartikler og væskedråber spreder og absorberer sol- og infrarød energi i væsentligt forskellige måder. Et hold fandt ud af, at den store bevægelse af luftmasser, der har forskellige aerosolkoncentrationer og luftfugtighed, har stor indflydelse på skyernes fase. Også vigtige var processer i mindre skala, der påvirkede, hvor længe en ispartikel holdt sig oppe i skyen .

Eksperter kom sammen og bestemte nøgleprocesserne, der styrer opdelingen af ​​is- og væskepartikler i arktiske skyer. Undersøgelsen kiggede specifikt på samspillet mellem store og lokale processer for at identificere, hvilke mikrofysiske småskala processer, der er vigtigst for globale modeller at fange for bedre at simulere den korrekte skyfase i modeller. Undersøgelsen identificerede også, at bedre observationer af vigtige aerosolparametre er ønskelige for bedre at forstå, hvordan aerosol-sky-interaktioner driver overgange i skyfasen. Resultaterne af undersøgelsen giver indsigt til bedre at repræsentere arktiske skyer i numeriske vejr- og jordsystemmodeller.

Mange arktiske skyer er blandet fase. Korrekt forudsigelse af opdelingen af ​​masse og overgange mellem disse to faser er afgørende for at forstå skypåvirkninger på det arktiske klima, fordi ispartikler og væskedråber påvirker atmosfærisk strålingsoverførsel på væsentligt forskellige måder. Holdet valgte at fokusere på en vedvarende stratiform blandet-fase sky observeret på DOE's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) site i Barrow, Alaska, den 11-12 marts, 2013. Denne sag er af særlig interesse, fordi der blev observeret betydelige tidsmæssige variationer i væskeskylaget og tilhørende isudfældning i løbet af skyens 37 timers varighed.

Holdet brugte en omfattende pakke af jordbaserede fjernmålingsinstrumenter, inklusive lidar og multifrekvens lodret pegende og scanning radarer opereret ved ARM North Slope of Alaska atmosfæriske observatorium i Barrow, kombineret med information om spredning og absorption af aerosollys fra National Oceanic and Atmospheric Administrations instrumenter. For at give en storstilet kontekst til casestudiet og for at undersøge vigtige processer mere detaljeret, flere modelmetoder blev anvendt. Begrænsede arealmodelsimuleringer bruges til at identificere processer, der forårsager nedstigningen af ​​skylaget samt rollen af ​​overflade- og storskalakraft i de observerede nedbørs- og faseopdelingsovergange. Kortsigtede prognoser fra Monitoring Atmospheric Composition and Climate (MACC)-modellen bruges til at få et bredere perspektiv på aerosoltransport ved og omkring Barrow i løbet af casestudieperioden, og hjælpe med at forstå, i hvilken grad lokalt observerede forskydninger i aerosolmængde og -type kan tilskrives advektion versus lokal behandling.

Observations- og modelleringsressourcer blev samlet for at forstå de processer, der styrer cloud-faseopdelingen og dens overgang i tid. Beviser tyder på, at tre hovedfaktorer bidrog til den bratte ændring i faseopdelingen for dette casestudie:

1. Storstilet advektion af forskellige luftmasser med forskelligt fugtindhold og indikationer af forskellige aerosolkoncentrationer spillede en rolle. I tiden med det højeste indhold af is og flydende vand, luftmassen over Barrow havde en forholdsvis høj aerosolkoncentration og blev understøttet af fugtig vejledning på skyeniveau.
2. Cloud-skala processer, specifikt sky-overflade termodynamiske koblingstilstand, ændret på tidspunktet for denne luftmasseovergang.
3. Ispartiklers opholdstid, som er knyttet til lokal skala dynamik, var vigtig i ændringen af ​​faseopdelingen.

Holdet fandt ud af, at den simulerede isvandssti var højere i tider med kraftige opstrømninger, der dominerede i den tidlige del af casestudiet. Efter overgangen, opdrift svækkede, og iskrystaller faldt hurtigere fra skysystemet. Teamet fandt ud af, at den strålende afskærmning af en cirrussky den 12. marts og indflydelsen fra solcyklussen var af mindre betydning for turbulensmodulation i skyen i blandet fase, og spillede derfor sandsynligvis ikke nøgleroller i overgangen. Mangel på observationer af aerosolegenskaber, herunder iskernekoncentrationer og vertikale profiler af aerosolpartikelkoncentrationer og størrelse, udgør en stor udfordring for at forstå faseovergange. Derudover dette casestudie tyder på, at samspillet mellem aerosol-inducerede sky mikrofysiske egenskaber med sky dynamiske og termodynamiske processer også kan være kritisk vigtigt.