The collision efficiency data for collision between graupel or hail particles and cloud drops that take into account the differences of particle density are applied to the Takahashi cloud model. The original setting assumes that graupel or hail collision efficiency is the same as that of the cloud drops of the same volume. The Takahashi cloud model is run with the new collision efficiency data and the results are compared with those with the original. As an initial condition, a thermodynamic profile that can initiate strong convection is provided. Three different CCN concentration values and therefore three initial cloud drop spectra are prescribed that represent maritime (CCN concentration = 300 $cm^{-3}$), continental (1000 $cm^{-3}$) and extreme continental (5000 $cm^{-3}$) air masses to examine the aerosol effects on cloud and precipitation development. Increase of CCN concentration causes cloud drop sizes to decrease and cloud drop concentrations to increase. However, the concentration of ice particles decreases with the increase of CCN concentration because small drops are difficult to freeze. These general trends are well captured by both model runs (one with the new collision efficiency data and the other with the original) but there are significant differences: with the new data, the development of cloud and raindrop formation are delayed by (1) decrease of ice collision efficiency, (2) decrease of latent heat from riming process and (3) decrease of ice crystals generated by ice multiplication. These results indicate that the model run with the original collision efficiency data overestimates precipitation rates.
This paper reviews various bulk-type cloud microphysics parameterizations (BCMPs). BCMP, predicting the moments of size distribution of hydrometeors, parameterizes the grid-resolved cloud and precipitation processes in atmospheric models. The generalized gamma distribution is mainly applied to represent the hydrometeors size distribution in BCMPs. BCMP can be divided in three different methods such as single-moment, double-moment, and triple-moment approaches depending on the number of prognostic variables. Single-moment approach only predicts the hydrometeors mixing ratio. Double-moment approach predicts not only the hydrometeors mixing ratio but also the hydrometeors number concentration. Triple-moment approach predicts the dispersion parameter of hydrometeors size distribution through the prognostic reflectivity, together with the number concentrations and mixing ratios of hydrometeors. Triple-moment approach is the most time expensive method because it has the most number of prognostic variables. However, this approach can allow more flexibility in representing hydrometeors size distribution relative to single-moment and double-moment approaches. At the early stage of the development of BMCPs, warm rain processes were only included. Ice-phase categories such as cloud ice, snow, graupel, and hail were included in BCMPs with prescribed properties for densities and sedimentation velocities of ice-phase hydrometeors since 1980s. Recently, to avoid fixed properties for ice-phase hydrometeors and ad-hoc category conversion, the new approach was proposed in which rimed ice and deposition ice mixing ratios are predicted with total ice number concentration and volume.
The influences of ice microphysical processes on urban heat island-induced convection and precipitation are numerically investigated using a cloud-resolving model (ARPS). Both warm- and cold-cloud simulations show that the downwind upward motion forced by specified low-level heating, which is regarded as representing an urban heat island, initiates moist convection and results in downwind precipitation. The surface precipitation in the cold-cloud simulation is produced earlier than that in the warm-cloud simulation. The maximum updraft is stronger in the cold-cloud simulation than in the warm-cloud simulation due to the latent heat release by freezing and deposition. The outflow formed in the boundary layer is cooler and propagates faster in the cold-cloud simulation due mainly to the additional cooling by the melting of falling hail particles. The removal of the specified low-level heating after the onset of surface precipitation results in cooler and faster propagating outflow in both the warm- and cold-cloud simulations.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.25
no.5
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pp.392-401
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2009
Ice-crystal clouds observation was conducted using a GIST/ADEMRC Multi-wavelength Raman lidar system in order to measure vertical profile and optical depth at Gwangju ($35^{\circ}$10'N, $126^{\circ}$53'E), Korea in December 2002, and March and April 2003. Ice-crystal clouds at high altitude can be distinguished from atmospheric aerosols by high depolarization ratio and high altitude. Ice-crystal clouds were observed at 5~12 km altitudes with a high depolarization ratio from 0.2 to 0.5. Optical depth of ice-crystal clouds had varied from 0.14 to 1.81. The radiative effect of observed ice-crystal cloud on climate system was estimated to be negative net flux in short wavelength (0.25~$4.0{\mu}m$) and positive net flux in short+long wavelength (0.25~$100{\mu}m$) at top of the atmosphere. Net flux by ice-crys tal cloud per unit optical depth was comparable to that of Asian dust.
Radiative transfer modeling of ice clouds is developed. Ice clouds located near tropopause reflect most of sunlight, thus atmospheric and surface effects can be minimized. Cloud properties such as cloud optical thickness (COT) and effective radius are important parameters to determine the magnitude of reflectance, while atmospheric and surface parameters rarely affect reflectance value. For selected homogeneous cloud pixels of MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) observation, reflectances are calculated using MODIS cloud products as inputs of radiative transfer model (RTM). For three types of phase function (Henyey-Greenstein, Garcia-Siewert, Baum) calculated reflectances are compared with observations for validation. All cases show linear relationship between simulated values and measured values, however each represent different bias and slope. The result shows that phase function determine angular distribution of reflectance.
For the purpose of understanding the cloud scattering effect of UV radiation at King Sejong station In West Antarctica, we analyzed the data measured by UV-Biometer at surface and compared its result with solar radiation model. The parameterization of UV radiation by cloud ice crystal was applied to solar radiation model and the sensitivity of this model for the variation of ice crystal was tested. The cloud optical thickness was calculated by using this solar radiation model. It was compared the result from calculation with CERES satellite data. In solar radiation model, the UV radiation was less scattered with increase of ice crystal size in cloud and this scattering effect was more important to UV-A radiation than Erythemal UV-B radiation. But scattering effects by altitude of cloud was not serious. The calculated cloud optical thicknesses in Erythemal UV-B and UV-A region were compared with CERES satellite data and the result by UV-A was more accurate than Erythemal UV-B region.
An unusual long-period and heavy snowfall occurred in the Yeongdong region from 6 to 14 February 2014. This event produced snowfall total of 194.8 cm and the recordbreaking 9-day snowfall duration in the 103-year local record at Gangneung. In this study, satellite-derived cloud-top brightness temperatures from the infrared channel in the atmospheric window ($10{\mu}m{\sim}11{\mu}m$) are examined to find out the characteristics of clouds related with this heavy snowfall event. The analysis results reveal that a majority of precipitation is related with the low-level stratiform clouds whose cloud-top brightness temperatures are distributed from -15 to $-20^{\circ}C$ and their standard deviations over the analysis domain (${\sim}1,000km^2$, 37 satellite pixels) are less than $2^{\circ}C$. It is also found that in the above temperature range precipitation intensity tends to increase with colder temperature. When the temperatures are warmer than $-15^{\circ}C$, there is no precipitation or light precipitation. Furthermore this relation is confirmed from the examination of some other heavy snowfall events and light precipitation events which are related with the low-level stratiform clouds. This precipitation-brightness temperature relation may be explained by the combined effect of ice crystal growth processes: the maximum in dendritic ice-crystal growth occurs at about $-15^{\circ}C$ and the activation of ice nuclei begins below temperatures from approximately -7 to $-16^{\circ}C$, depending on the composition of the ice nuclei.
We have developed ellipsometry lidar and measured aerosol and ice-cloud characteristics. To measure a full normalized backscattering phase matrix (NBSPM) composed of nine elements, we have designed an optical system with three kinds of transmission and three kinds of reception, composed of ${\lambda}/2$ waveplate, ${\lambda}/4$ waveplate and empty optic. To find systematic optical errors, we used clean day middle-altitude (4-6km) lidar signals for which the aerosol's concentration was small and its orientation chaotic. After calibrating our lidar system, we have calculated NBSPM elements scattered from an aerosol and from an ice cloud. In the case of an aerosol, we found that the off-diagonal values $m_{12},{\ldots},m_{34}$ of the NBSPM are smaller than those for a cirrus cloud. Also, the off-diagonal values of the NBSPM from a cirrus cloud depend on atmospheric conditions.
Current in-situ airborne probes that measure the sizes of ice crystals smaller than 50 ㎛ are based on the concept that the measured intensity of light scattered by a particle in the forward and/or backward direction can be converted to particle size. The relationship between particle size and scattered light used in forward scattering probes is based on Mie theory, which assumes the refractive index of particle is known and all particles are spherical. Not only are small crystals not spherical, but also there are a wide variety of non-spherical shapes. Although it is well known that the scattering properties of non-spherical ice crystals differ from those of spherical shapes, the impacts of non-sphericity on derived in-situ particle size distributions are unknown. Thus, precise relationships between the intensity of scattered light and particle size and shape are required, as based on accurate calculations of scattering properties of ice crystals. In this study, single-scattering properties of ice crystals smaller than 50 ㎛ are calculated at a wavelength of 0.55 ㎛ using a numerically exact method (i.e., discrete dipole approximation). For these calculations, hexagonal ice crystals with varying aspect ratios are used to represent the shapes of natural small ice crystals to determine the errors caused by non-spherical ice crystals measured by forward scattering probes. It is shown that the calculated errors in sizing nonspherical ice crystals are at least 13% and 26% in forward (4~12°) and backward (168~176°) directions, respectively, and maximum errors are up to 120% and 132%.
Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics
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v.15
no.3
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pp.57-62
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2007
In this paper, we attempted to produce the cloud forecast that use the numerical weather prediction(NWP) MM5 for objective cloud forecast. We presented two methods for cloud forecast. One of them used total cloud mixing ratio registered to sum(synthesis) of cloud-water and cloud-ice grain mixing ratio those are variables related to cloud among NWP result data and the other method that used relative humidity. An experiment was carried out period from 23th to 24th July 2004. According to the sequence of comparing the derived cloud forecast data with the observed value, it was indicated that both of those have a practical use possibility as cloud forecast method. Specially in this Case study, cloud forecast method that use total cloud mixing ratio indicated good forecast availability to forecast of the low level clouds as well as middle and high level clouds.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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