Charakterisierung von orographisch beeinflusster Bereifung und sekundärer Eisproduktion und deren Auswirkungen auf Niederschlagsraten mittels Radarpolarimetrie und Dopplerspektren (CORSIPP) / Characterization of orography-influenced riming and secondary ice production and their effects on precipitation rates using radar polarimetry and Doppler spectra (CORSIPP)
Charakterisierung von orographisch beeinflusster Bereifung und sekundärer Eisproduktion und deren Auswirkungen auf Niederschlagsraten mittels Radarpolarimetrie und Dopplerspektren (CORSIPP)
Titel (Englisch)
Characterization of orography-influenced riming and secondary ice production and their effects on precipitation rates using radar polarimetry and Doppler spectra (CORSIPP)
Beschreibung (Deutsch)
Niederschlag ist eine wichtige Komponente des hydrologischen Kreislaufs. Um zu verstehen, wie sich der Wasserhaushalt in einem sich erwärmenden Klima verändert, ist ein umfassendes Verständnis der Niederschlagsbildungsprozesse erforderlich. In den mittleren Breiten wird der meiste Niederschlag unter Beteiligung der Eisphase in Mischphasenwolken erzeugt, aber die genauen Interaktionen zwischen Eis, flüssigem Wasser, Wolkendynamik, orografischem Antrieb und Aerosolpartikeln während der Eis-, Schnee- und Regenbildung sind nicht gut verstanden. Dies gilt insbesondere für Bereifungs- und Sekundäre Eisproduktion (SIP) Prozesse, die mit den größten quantitative Unsicherheiten in Bezug auf die Schneefallbildung verbunden sind. Die Lücken in unserem Verständnis von SIP- und Bereifungsprozesse zu schließen, ist vor allem für Gebirgsregionen entscheidend, die besonders anfällig für Änderungen des Niederschlags und des Wasserhaushalts, wie z.B. des Verhältnisses zwischen Regen und Schneefall, sind. In diesem Antrag wird ein Forschungsprojekt vorgeschlagen, das sich dem Verständnis von Bereifungs- und SIP-Prozessen in komplexem Terrain widmet. Dazu werden wir ein innovatives, simultan sendendes und simultan empfangendes (STSR), scannendes W-Band-Wolkenradar zusammen mit einer neuartigen In-situ-Schneefallkamera eine ganze Wintersaison lang in den Rocky Mountains von Colorado, USA betreiben. Die Instrumente werden Teil der Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory (SAIL) Kampagne sein, bei der ein Ka-Band und ein X-Band Radar eingesetzt werden. Durch die Kombination von spektralen polarimetrischen und Multifrequenz-Doppler-Radarbeobachtungen mit empirischen und Bayes'schen Machine Learning Verfahren werden wir Bereifungs- und SIP-Ereignisse identifizieren und deren Einfluss auf die Schneefallrate quantifizieren. Dies erfordert die Erweiterung des Passive and Active Microwave radiative TRAnsfer Modells (PAMTRA) mit zusätzlichen polarimetrischen Variablen und modernsten Berechnungen von Streueigenschaften. Durch die Nutzung der umfangreichen kollokierten Messungen während SAIL wird es ermöglicht, die beobachteten Prozessraten mit Umweltbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Flüssigwasserpfad sowie mit der Wolkendynamik in Beziehung zu setzen. Darüber hinaus werden wir einen besonderen Fokus auf den Einfluss von vertikalen Luftbewegungen legen, die unter orographischen Bedingungen häufig auftreten. Zusammengenommen wird das vorgeschlagene Projekt unser Verständnis von Bereifungs- und SIP-Prozessen in komplexem Gelände verbessern.
Beschreibung (Englisch)
Precipitation is a major component of the hydrological cycle. A comprehensive understanding of the precipitation formation processes is required to understand how the water budget is changing in a warming climate. In mid-latitudes, most precipitation is generated through the ice phase in mixed-phase clouds, but the exact pathways through which ice, liquid water, cloud dynamics, orographic forcing, and aerosol particles are interacting during ice, snow and rain formation are not well understood. This is particularly true for riming and secondary ice production (SIP) processes that are likely related to the largest uncertainties with respect to quantitative snowfall formation. Filling the gaps in our understanding of SIP and riming is especially crucial for mountainous regions that are particularly vulnerable to changes in precipitation and the water budget such as the ratio between rain and snowfall. Here, we propose a research project dedicated to understanding riming and SIP processes in complex terrain. For this, we will operate an innovative simultaneous-transmission-simultaneous-reception (STSR) scanning W-band cloud radar together with a novel in situ snowfall camera for one entire winter season in the Colorado Rocky Mountain. The instruments will be part of the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory (SAIL) campaign where a Ka-band and a X-band radar will be deployed. Combining spectral polarimetric and multi frequency Doppler radar observations with empirical and Bayesian machine learning retrieval techniques, we will identify riming and SIP events and quantify their impact on snowfall rates. This goal requires extending the Passive and Active Microwave radiative TRAnsfer model (PAMTRA) with additional polarimetric variables and state of the art scattering capabilities. Finally, using the extensive collocated measurements of SAIL will allow us to relate the observed process rates to environmental conditions such as temperature, humidity and liquid water path as well as cloud dynamics. In addition, we will put a special focus on the impact of vertical air motions that appear frequently in orographic conditions. Combined, the proposed project will enhance our understanding of riming and SIP processes in complex terrain.
SPP 2115: Synergie von Polarimetrischen Radarbeobachtungen und Atmosphärenmodellierung (PROM) - Verschmelzung von Radarpolarimetrie und numerischer Atmosphärenmodellierung für ein verbessertes Verständnis von Wolken- und Niederschlagsprozessen
