Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Interactions of the shape of a particle size distribution and physical processes using a three moment snow growth model in two snowfall cases

Show full item record

Title: Interactions of the shape of a particle size distribution and physical processes using a three moment snow growth model in two snowfall cases
Author(s): Naakka, Tuomas
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Discipline: Meteorology
Language: English
Acceptance year: 2015
Abstract:
The formation of snowfall is a consequence of interactions between physical processes and the size distribution of snow particles. In this study, 1-dimensional steady-state model in combination with weather radar observations was used to retrieve the vertical evolution of a snow particle size distribution. The snow growth model uses the zeroth, the first and the second mass moments of a particle size distribution for calculating the evolution of distribution parameters. The model includes physical snow growth processes, such as ice nucleation, water vapor deposition and aggregation. Other processes, such riming, breakup and ice multiplication were not considered in this study. Given the model setup, snowfall cases where either supercooled liquid water is absent or supercooled liquid drops are small enough that they don't collide with ice particles can be physically represented by the model developed in this study. To analyze the model performance and its ability to retrieve snow microphysical properties, two distinct snowfall cases, that took place on 26th and 30th December 2010, were selected. The December 30th case is a typical snowfall event and the model was able to reproduce particle size distributions and radar variables in December 30th case that agreed well with observations. Particular radar signatures that have recently attracted a lot of attention in the scientific literature took place during the December 26th case. It is believed that they are associated with enhanced vapor deposition and aggregation growth of ice particles. The case of 26th December could not be accurately modeled probably because of invalid steady state assumption or missing microphysical processes. The number concentration of small particles at the ground level is underestimated in model results. The model also cannot produce approximately exponential size distribution as was observed by ground instruments. The underestimated number of small particles refers that breakup of particles or ice multiplication could have a significant role in the evolution of size distribution. However, based on the model runs with different types of snow particles, the model produced high intensity snowfall when high number concentration of plate crystals existed, which could cause the above-mentioned signatures. So our study does corroborate results presented in literature, but may indicate that there is a missing snow growth process that is currently not considered. As a part of this study the currently available 2-moment model was extended to a 3-moment scheme. These two schemes were extensively tested and analyzed. Changes in size distribution shape due to aggregation and deposition is captured by the 3-moment scheme. In the 2-moment scheme shape of a particle distribution is constant. It was found that ice water content (IWC) and snowfall rate grow faster in the 3-moment model than in the 2-moment model. Fast increase in IWC due to ice particle growth by water vapor deposition leads to narrowing of a size distribution. In upper parts of clouds, the 3-moment scheme produces questionably narrow size distributions, which needs to be studied in the future.
Lumisateen synty ja voimakkuus riippuvat fysikaalistenprosessien ja partikkelien kokojakauman välisestä vuorovaikutuksesta. Tässä tutkielmassa on käytetty 1-dimensiosta stady state -mallia yhdessä tutkahavaintojen kanssa kuvaamaan lumipartikkelien kokojakauman muutoksia pystysunnassa. Malli käyttää nollatta, ensimmäistä ja toista massamomenttia jakaumaparametrin kehityksen laskemiseen. Mallissa on kuvattu fysikaaliset prosessit, nukleaatio, vesihöyryn depositio ja partikkelien aggregaatio. Muita prosesseja kuten partikkelien hajoamisia tai nestemäisten vesipisaroiden jäätymistä lumipartikkelien pinnalle ei ole kuvattu mallissa. Nestemäisen veden vaikutus lumipartikkelien kasvuun pitää olla hyvin vähäinen, jotta malli pystyy kuvaamaan lumipartikkelien kasvua. Mallilla kuvattiin kahta lumisadetapausta, 26. ja 30. joulukuuta 2010, jotta voitiin tutkia mallin käyttäytymistä, ja kykyä kuvata pilven mikrofysikaalisia ominaisuuksia. 30. päivän lumisadetapaus oli tyypillinen lumisadetapaus, ja mallitulokset partikkelien kokojakauman ja tutkasuureiden osalta olivat lähellä havaintoja. 26. päivän lumisadetapauksessa tutkahavainnoissa merkkejä, jotka viittasivat kasvaneeseen deposition ja aggregaation voimakkuuteen. Tällaisen havainnot ovat olleet kirjallisuudessa mielenkiinnon kohteina viimeaikoina. 26. päivän tapausta ei pystytty tarkasti mallintamaan johtuen mahdollisesti siitä, että steady state -oletus ei toteutunut riittävällä tarkkuudella, tai siitä, että kaikkia vaikuttavia fysikaalisia prosesseja ei ollut huomioitu mallissa. Pienten partikkelien lukumäärä mallituloksissa maanpinnalla on aliarvioitu verrattuna havaintoihin. Malli ei pysty saavuttamaan havaitunlaista lähes eksponentiaalista kokojakaumaa mallissa kuvattujen fysikaalisten prosessien avulla. Tämä aliarvio viittaa siihen, että partikkelien hajoamisella on merkittävä rooli kokojakauman muutoksissa. Eri kidetyypeillä suoritettujen malliajojen perustella voidaan sanoa, että suuri määrä levymäisiä kiteitä pilven yläosassa johtaa voimakkaaseen lumisateeseen, mikä voi aiheuttaa aiemmin mainitunkalaisia tutkahavaintoja. Näin ollen tutkielma vahvistaa kirjallisuudessa esitettyjä tuloksia näiden tutkahavaintojen ja fysikaalisten prosessien välisestä yhteydestä, mutta toisaalta mallissa ei ollut kuvattu kaikkia tapauksen kannalta tarpeellisia mikrofysikaalisia prosesseja. Tutkielmassa alkuperäinen 2-momenttimallia muutettiin 3-momenttimalliksi, jolloin jakauman muodolla on mahdollisuus muuttua pystysuunnassa vesihöyryn deposition ja aggregaation vaikutuksesta. 3-momenttimallissa pilven jääsisällön ja sademäärän kasvu deposition vaikutuksesta on nopeampaa kuin 2-momenttimallissa. Nopeampi pilven jääsisällön kasvu 3-momenttimallissa johtaa kokojakauman kapenemiseen deposition hallitessa kasvua. Mallinnetut kokojakaumat pilven yläosissa on kyseenalaisen kapeita, minkä selvittäminen tarvitsi lisää tutkimista.


Files in this item

Files Size Format View
MSc Thesis Tuomas Naakka.pdf 16.24Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record