En studie av NSF NCAR-forskare visar att turbulens avsevärt påskyndar regnbildning i moln, baserat på avancerade simuleringar och data från en NASA-fältkampanj. Denna upptäckt är avgörande för att förbättra väder- och klimatprognoser.
Nya rön har potential att förbättra datormodeller som används för väder- och klimatförutsägelser.
I decennier har forskare försökt reda ut det intrikata och gåtfulla händelseförloppet som gör att små droppar i molnen kan växa sig stora nog att falla till marken. Att få en djupare förståelse för denna process, känd som ”flaskhalsen för regnbildning”, är avgörande för att förbättra datormodellsimuleringar av väder och klimat, vilket i sin tur leder till mer exakta prognoser.
Nu har ett forskarlag ledd av forskare vid US National Science Foundation National Center for Atmospheric Research (NSF NCAR) funnit att de turbulenta rörelserna av luft i molnen spelar en nyckelroll i tillväxten av droppar och initieringen av regn.
Forskarna tillämpade avancerad datormodellering på detaljerade observationer av droppar i cumulusmoln som togs under en NASA fältkampanj. Detta gjorde det möjligt för dem att spåra effekterna av turbulens på embryonala droppar som så småningom smälter samman till regndroppar.
”Denna forskning visar att turbulenta effekter på droppkoalescens är avgörande för utvecklingen av droppstorlekar och initiering av regn”, säger NSF NCAR-forskaren Kamal Kant Chandrakar, huvudförfattaren. ”Turbulens i cumulusmoln påskyndar kraftigt nederbörden och leder till mycket större mängder regn.”
Chandrakar och hans kollegor fann att regn bildades cirka 20 minuter tidigare i datorsimuleringar med turbulens än i datorsimuleringar utan turbulens. Massan av regnvatten var mer än sju gånger högre i simuleringar som inkluderade turbulens.
Studien publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences. Det finansierades av NASA, US Department of Energy och NSF.
Från små vattendroppar till regn
Regnprocessen börjar när små vattendroppar i moln kondenserar runt mikroskopiska partiklar av damm, salt eller andra material, som kallas molnkondensationskärnor (CCN). När miljontals droppar kolliderar med varandra smälter de samman till större droppar som så småningom blir tillräckligt tunga för att falla ut ur molnet.
Bildandet av regndroppar kan variera under olika förhållanden, såsom fördelningen av olika storlekar av molndroppar samt andra faktorer som turbulenta rörelser och egenskaperna hos partiklar i molnet.
Att representera denna process korrekt i datormodeller av väderhändelser och klimatsystemet är avgörande för att förbättra tillförlitligheten hos dessa modeller. Sammansmältningen av vattendroppar är viktig inte bara för att exakt förutsäga nederbörd, utan också för att bättre förstå molnens utveckling och i vilken utsträckning de reflekterar värme tillbaka ut i rymden, och därigenom påverkar temperaturerna.
För att reta initieringen av nederbörd vände Chandrakar och hans kollegor till observationer av droppstorleksfördelningar som togs av forskningsflygplan som flög in i cumulus congestus-moln under en NASA-fältkampanj 2019, Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment (CAMP2Ex).
Med hjälp av en specialiserad datormodell utvecklade forskargruppen en serie högupplösta simuleringar för att återskapa molnförhållandena som observerades under kampanjen och se hur dropparna smälte samman med olika turbulenta flöden.
Simuleringarna visade vilken nyckelroll turbulens spelar i både tidpunkten och omfattningen av nederbörden. De indikerade också att närvaron av stora CCN, som har varit i fokus för vissa teorier om regnbildning, inte kunde förklara de observerade storlekarna och utvecklingen av droppar. I simuleringarna med stor CCN och liten turbulens inträffade droppsammansmältningen långsammare och genererade mindre regn.
”Utvecklingen av regn är grundläggande för moln, väder och hela klimatsystemet,” sade Chandrakar. ”Bättre förståelse för denna process kan visa vägen till betydande förbättringar i våra datormodeller och i slutändan i väderprognoser och klimatprognoser som hjälper till att skydda samhället.”
Detta material är baserat på arbete som stöds av NSF National Center for Atmospheric Research, en stor anläggning som sponsras av US National Science Foundation och förvaltas av University Corporation for Atmospheric Research.