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Microphysical characteristics of frozen droplet aggregates from deep convective clouds
Um, Junshik,McFarquhar, Greg M.,Stith, Jeffrey L.,Jung, Chang Hoon,Lee, Seoung Soo,Lee, Ji Yi,Shin, Younghwan,Lee, Yun Gon,Yang, Yiseok Isaac,Yum, Seong Soo,Kim, Byung-Gon,Cha, Joo Wan,Ko, A-Reum Copernicus GmbH 2018 Atmospheric Chemistry and Physics Vol.18 No.23
<P>Abstract. During the 2012 Deep Convective Clouds and Chemistry (DC3) experiment the National Science Foundation/National Center for Atmospheric Research Gulfstream V (GV) aircraft sampled the upper anvils of two storms that developed in eastern Colorado on 6 June 2012. A cloud particle imager (CPI) mounted on the GV aircraft recorded images of ice crystals at altitudes of 12.0 to 12.4 km and temperatures (T) from −61 to −55 ∘C. A total of 22 393 CPI crystal images were analyzed, all with maximum dimension (Dmax)<433 µm and with an average Dmax of 80.7±45.4 µm. The occurrence of well-defined pristine crystals (e.g., columns and plates) was less than 0.04 % by number. Single frozen droplets and frozen droplet aggregates (FDAs) were the dominant habits with fractions of 73.0 % (by number) and 46.3 % (by projected area), respectively. The relative frequency of occurrence of single frozen droplets and FDAs depended on temperature and position within the anvil cloud. A new algorithm that uses the circle Hough transform technique was developed to automatically identify the number, size, and relative position of element frozen droplets within FDAs. Of the FDAs, 42.0 % had two element frozen droplets with an average of 4.7±5.0 element frozen droplets. The frequency of occurrence gradually decreased with the number of element frozen droplets. Based on the number, size, and relative position of the element frozen droplets within the FDAs, possible three-dimensional (3-D) realizations of FDAs were generated and characterized by two different shape parameters, the aggregation index (AI) and the fractal dimension (Df), that describe 3-D shapes and link to scattering properties with an assumption of spherical shape of element frozen droplets. The AI of FDAs decreased with an increase in the number of element frozen droplets, with larger FDAs with more element frozen droplets having more compact shapes. The Df of FDAs was about 1.20-1.43 smaller than that of black carbon (BC) aggregates (1.53-1.85) determined in previous studies. Such a smaller Df of FDAs indicates that FDAs have more linear chain-like branched shapes than the compact shapes of BC aggregates. Determined morphological characteristics of FDAs along with the proposed reconstructed 3-D representations of FDAs in this study have important implications for improving the calculations of the microphysical (e.g., fall velocity) and radiative (e.g., asymmetry parameter) properties of ice crystals in upper anvil clouds. </P>
전방산란 관측 기기의 관측 성능 향상을 위한 최적 산란 각도 계산
장성현,엄준식,Greg M. McFarquhar,정창훈,이승수 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
전방산란 관측 기기(forward-scattering probe)들은 전방, 후방, 또는 전방/후방으로 입자에 의해서 산란된 빛의 강도를 입자의 크기로 전환될 수 있다는 개념에 기반하여 개발되었다. 이때 입자의 굴절률을 알고 있고 입자가 구형임을 가정하고 미 이론(Mie theory)을 적용하여 입자의 크기를 측정한다. 하지만 대기 중의 빙정들 대부분은 다양한 비구형 모양으로 존재하며, 빙정의 비구형성이 입자 크기 분포 계산에 미치는 영향은 잘 알려져 있지 않다. 따라서 정확한 빙정의 산란 성질 계산을 기반으로 한 산란된 빛의 강도, 입자 크기, 모양 간의 정확한 관계를 알아야 한다. 또한, 전방산란 관측 기기에서 사용하고 있는 특정 산란 각도의 선택이 입자 크기 결정에 미치는 영향에 대한 평가가 필요하다. 본 연구에서는 0.55 μm 파장에 대해 50 μm 보다 작은 다양한 종횡비를 가지는 육각형 기둥과 회전 타원체 모양을 갖는 빙정의 단일산란 특성을 이산 쌍극자 근사(discrete dipole approximation)와 기하광학법(geometric optics method)을 사용하여 계산하고 미 이론을 사용하여 계산한 구형의 구름 입자의 단일산란 특성과 비교하였다. 빙정의 모양이 비구형이기 때문에 필연적으로 발생하는 전방산란 관측 기기의 빙정 크기 결정의 오차를 빙정의 종횡비와 크기의 함수로 정량화 하였으며, 이를 바탕으로 전방산란 관측 기기의 관측 성능 향상을 위한 최적 산란 각도를 제시하였다.
깊은 대류 구름에 존재하는 언 구름방울 부착물의 단일산란 특성 계산 연구
김정규,엄준식,Greg M. McFarquhar,Jeff Stith 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10
깊은 대류(deep convection)에 의해 생성된 깊은 대류 구름(deep convective cloud)은 광범위한 면적과 발생 빈도 때문에 지구 에너지 수지 조절에 중요한 역할을 한다. 하지만 안전상의 이유로 항공기의 접근이 제한되어 관측자료가 매우 적기 때문에 관련 연구 또한 극소수만이 수행되었다. 2012년 Deep Convective Clouds and Chemistry (DC3) 관측 캠페인 동안 Gulfstream V (GV) 항공기에 장착된 CPI(Cloud Particle Imager)로 구름입자 모양을 관측한 결과 균질 결빙에 의해 생성되는 준구형(quasi-spherical)의 언 구름방울과 언 구름방울 부착물(frozen droplet aggregates, FDAs)이 깊은 대류 구름 상부에서 가장 많이 관측된 모양으로 확인되었다. 따라서 언 구름방울과 그 부착물의 존재 여부 및 발생 빈도는 깊은 대류 구름을 탐지하는 척도이며, 깊은 대류 구름의 특성 산출과 수치 모형에서 깊은 대류 구름의 표현을 위해서는 FDAs가 태양 복사에 미치는 영향을 정량화해야 하며 이를 위해서 FDAs의 단일산란 및 미세물리적 특성의 이해가 선행되어야 한다. 본 연구는 CIRCLE-2 관측 캠페인 동안 항공기에 장착된 Polar Nephelometer로 관측한 FDAs의 산란위상함수(scattering-phase function)와 DC3 캠페인 동안 관측한 CPI 관측자료를 사용하여 언 구름방울과 그 부착물의 단일산란 특성을 계산하였다. 단일산란 특성 계산을 위해 필요한 이상화된 모형은 항공기 관측으로 획득한 실제 빙정의 고해상도 이미지와 Gaussian random sphere 모형을 기반으로 입자 반지름, 반지름의 표준편차, 상관 각도 등의 변수에 변화를 주어 최적의 이상화된 FDAs 모델을 개발하였다. 생성된 FDAs의 단일산란 특성은 기하 광학법(geometric optics method)을 사용하여 가시광선 파장대(0.55μm)에 대해 계산하였다. 계산된 FDAs의 단일산란 특성은 CIRCLE-2 관측 캠페인 동안 관측한 FDAs의 산란위상함수와 비교하여 그 정확도를 평가하였다.