Algoritme til at fange støvregn-turbulens-interaktioner kan forbedre forudsigelser af fremtidige klimaforhold

Fra rummet, store dæk med stratocumulus-skyer, der ligger tæt på hinanden, fremstår som lyse vatkugler, der svæver over havet. De dækker store områder - bogstaveligt talt tusindvis af miles af de subtropiske oceaner - og dvæler i uger til måneder.

Fordi disse havskyer reflekterer mere solstråling end havets overflade, afkøling af jordens overflade, levetiden for stratocumulusskyer er en vigtig bestanddel af Jordens strålingsbalance. Er det nødvendigt, derefter, til nøjagtigt at repræsentere skyernes levetid i jordsystemmodellerne (ESM), der bruges til at forudsige fremtidige klimaforhold. Turbulens - luftbevægelser, der forekommer i små skalaer - er primært ansvarlig for levetiden af ​​marine stratocumulus-skyer.

Finregn - nedbør, der omfatter vanddråber mindre end en halv millimeter i diameter - er konstant til stede i og under disse marine skysystemer. Fordi disse små dråber påvirker og påvirkes af turbulens under havskyer, forskere har brug for at vide mere om, hvordan støvregn påvirker turbulens i disse skyer for at muliggøre mere nøjagtige klimaprognoser.

Et hold ledet af Virendra Ghate, en atmosfærisk videnskabsmand, og Maria Cadeddu, en ledende atmosfærisk forskningsingeniør i Environmental Science-afdelingen ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, har studeret virkningen af ​​støvregn inde i marine skyer siden 2017. Deres unikke datasæt fangede opmærksomheden hos forskere ved DOE's Lawrence Livermore National Laboratory.

For omkring tre år siden, en samarbejdspartner fra Livermore, som førte nationale bestræbelser på at forbedre skyrepræsentationen i klimamodeller, opfordrede til observationsstudier med fokus på støvregn-turbulens-interaktioner. Sådanne undersøgelser eksisterede ikke på det tidspunkt på grund af det begrænsede sæt af observationer og mangel på teknikker til at udlede alle de geofysiske egenskaber, der giver anledning til bekymring.

"Analysen af ​​det udviklede datasæt gjorde det muligt for os at vise, at støvregn mindsker turbulens under stratocumulus-skyer - noget, der kun blev vist ved modelsimuleringer i fortiden, " sagde Ghate. "Rigdommen af ​​de udviklede data vil give os mulighed for at løse flere grundlæggende spørgsmål vedrørende støvregn-turbulens-interaktioner i fremtiden."

Argonne-holdet satte sig for at karakterisere skyernes egenskaber ved hjælp af observationer ved Atmospheric Radiation Measurement (ARM)'s østlige nordatlantiske sted, en DOE Office of Science brugerfacilitet, og data fra instrumenter ombord på geostationære og polære satellitter. Instrumenterne indsamler tekniske variabler, såsom spændinger og temperaturer. Holdet kombinerede målinger fra forskellige instrumenter for at udlede egenskaber af vanddamp og støvregn i og under skyerne.

Ghate og Cadeddu var interesserede i geofysiske variabler, såsom indhold af skyvand, støvregn partikelstørrelse og andre. Så de udviklede en ny algoritme, der synergistisk hentede alle de nødvendige parametre involveret i støvregn-turbulens-interaktioner. Algoritmen bruger data fra flere ARM-instrumenter – inklusive radar, lidar og radiometer - for at udlede de geofysiske variabler af interesse:størrelse (eller diameter) af nedbørsdråber, mængde flydende vand svarende til skydråber, og nedbøren falder. Ved at bruge data fra ARM, Ghate og Cadeddu udledte disse parametre, efterfølgende udgivelse af tre observationsstudier, der fokuserede på to forskellige rumlige organisationer af stratocumulus-skyer for at karakterisere vekselvirkningerne mellem støvregn og turbulens i disse skysystemer.

Deres resultater førte til et samarbejde med modelbyggere fra Livermore. I den indsats, holdet brugte observationer til at forbedre repræsentationen af ​​støvregn-turbulens-interaktioner i DOE's Energy Exascale Earth System Model (E3SM).

"Observationsreferencerne fra Ghate og Cadeddus genfindingsteknik hjalp os med at bestemme, at version 1 af E3SM producerer urealistiske støvregn-processer. Vores samarbejdsundersøgelse implicerer, at omfattende undersøgelser af de modellerede sky- og støvregnprocesser med observationsreferencer er nødvendige for nuværende klimamodeller, " sagde Xue Zheng, en stabsforsker i Atmosfærisk, Jorden, og energidivision hos Livermore.

Sagde Cadeddu:"Generelt, den unikke ekspertise her på laboratoriet skyldes vores evne til at gå fra de rå data til de fysiske parametre og derfra til de fysiske processer i skyerne. Dataene og selve instrumenterne er meget vanskelige at bruge, fordi de for det meste er fjernsensorer, der ikke direkte måler, hvad vi har brug for (f.eks. regnhastighed eller flydende vandvej); i stedet, de måler elektromagnetiske egenskaber såsom backscatter, Doppler spektre og udstråling. Ud over, det rå signal er ofte påvirket af artefakter, støj, aerosoler og nedbør. De rå data er enten direkte relateret til de fysiske størrelser, vi ønsker at måle gennem veldefinerede ligningssæt, eller de er indirekte relaterede. I sidstnævnte tilfælde, at udlede de fysiske størrelser betyder at løse matematiske ligninger kaldet 'inverse problemer', som, på egen hånd, er komplicerede. Det faktum, at vi har været i stand til at udvikle nye måder at kvantificere skyernes fysiske egenskaber og udtrække pålidelig information om dem, er en stor bedrift. Og det har sat os på forkant med forskningen i disse typer skyer."

Fordi de kun har fokuseret på de få aspekter af de komplekse støvregn-turbulens-interaktioner, Ghate og Cadeddu planlægger at fortsætte deres forskning. De har også til hensigt at fokusere på andre regioner såsom det nordlige Stillehav og det sydlige Atlanterhav, hvor skyen, støvregn og turbulensegenskaber adskiller sig meget fra dem i Nordatlanten.