Development and application of novel numerical model to investigate the precipitation formation in mixed phase clouds  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
116025
Type K
Principal investigator Geresdi, István
Title in Hungarian Új számítógépes modell kidolgozása és alkalmazása vegyes halmazállapotú felhőkben lejátszódó csapadékképződési folyamatok kutatására
Title in English Development and application of novel numerical model to investigate the precipitation formation in mixed phase clouds
Keywords in Hungarian számítógépes modell, zivatar lánc, időjárás módosítás, csapadékképződés
Keywords in English numerical model, squall line, weather modification, precipitation formation
Discipline
Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Meteorology
Panel Earth sciences 2
Department or equivalent Institute of Geography and Earth Sciences (University of Pécs)
Participants Sarkadi, Noémi
Schmeller, Gabriella
Starting date 2016-01-01
Closing date 2021-09-30
Funding (in million HUF) 23.818
FTE (full time equivalent) 6.20
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az új, részletes mikrofizikai modellt olyan felhőfizikai folyamatok kutatására kívánjuk használni, amelyek tanulmányozására a hagyományos, parametrizációs modellek csak korlátozottan alkalmazhatóak. Noha a részletes mikrofizikai modellek általában nagy számítógép-teljesítményt igényelnek, a hatékony algoritmusok kidolgozásának és a számítástechnika gyors fejlődésének köszönhetően napjainkra lehetővé vált, hogy segítségükkel több, eddig nyitott kérdés megvizsgálhassunk. A számítások elvégzéséhez az USA Központi Légkörfizikai Kutató Intézetének nagy teljesítményű számítógépeit fogjuk használni. A kutatás célkitűzései a következőek:
1) Annak tisztázása, hogy a felhőfizikai folyamatok és a dinamika közötti kölcsönhatás milyen szerepet játszik az intenzív zivatar láncok kialakulásában és mozgásában. A levegő áramlása és a csapadékképződés között a zivatarokban erős a kölcsönhatás. A világon az elsők között leszünk képesek arra, hogy az intenzív zivatarláncokban lejátszódó folyamatokat csatolt, háromdimenziós áramlási és részletes mikrofizikai modellel tanulmányozzuk.
2) Numerikus modell kidolgozása az időjárás módosítási koncepciók hatékonyságának becslésére. A környezeti feltételek változékonysága miatt közvetlen mérésekkel csak nagy bizonytalansággal lehet megbecsülni az időjárás-módosítási projektek hatékonyságát. Az általunk megalkotott részletes mikrofizikai modell továbbfejlesztett változatát felhasználva kívánunk olyan rendszert kidolgozni, amelynek segítségével az eddigieknél jóval pontosabban tudjuk megbecsülni, hogy milyen hatékonysággal lehet növelni a kihulló csapadék mennyiségét az orografikus hatásra kialakuló rétegfelhőkben, vagy a konvektív felhőkben.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A hagyományos mikrofizikai modellek számos egyszerűsítést, az átlagos légköri viszonyokra jellemző leírást tartalmaznak (pl. a csapadékelemek méretbeli eloszlása). Ezért ezek a modellek nem, vagy csak korlátozottan alkalmasak a környezeti feltételekben bekövetkező változások, az átlagostól jelentősen eltérő jellemzők figyelembevételére. Az általunk kifejlesztett részletes mikrofizikai modellben nincsenek ilyen egyszerűsítések. Így elvileg alkalmasak az átlagos felhőktől jelentősen eltérő intenzív zivatarokban lejátszódó csapadékképződési folyamatok modellezésre, valamint a természetest meghaladó szennyezőanyag koncentráció hatásának figyelembe vételére a jégfázis kialakulásban. A modellt sikeresen alkalmaztuk egyszerű dinamikájú felhőkben (pl. sekély, réteges és gomolyfelhők) lejátszódó mikrofizikai folyamatok numerikus modellezésére. A tervezett kutatásban azt kívánjuk igazolni, hogy a részletes mikrofizikai modellek alkalmazása lehetővé teszi a mikrofizikai és a dinamikai folyamatok közötti kölcsönhatás pontos leírását intenzív zivatarfelhőkben, továbbá bemutatjuk, hogy a modellek új eszközt adnak a kezünkbe a különböző időjárás-módosítási koncepciók előzetes tesztelésére. Ennek érdekében a kutatás első fázisában a rendelkezésre álló mikrofizikai modellt tovább kell fejlesztenünk (pl. új eljárások kidolgozása az olvadási és a jégképződési folyamatok modellezésére). A kutatás második szakaszában esettanulmányokat kívánunk végezni állításaink igazolására.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A dinamikai és a felhőfizikai folyamatok közötti kölcsönhatás pontos leírása új lehetőséget teremt annak tanulmányozására, hogy a csapadékképződést hogyan befolyásolja a környezetünk állapota, annak természetes vagy antropogén eredetű változása (pl. a levegő nedvesség tartalma, hőmérséklete, vagy a levegő szennyezettsége). A távérzékeléssel és a közvetlen, repülőgépes megfigyelésekkel végzett mérések modellszámításokkal történő kiegészítése jelentős előrelépést jelent a csapadékképződési folyamatok jobb megértésében. A számítógépek teljesítményének növekedése kb. 5 – 10 éven belül lehetővé teszi, hogy a részletes mikrofizikai modellek már az operatív alkalmazásra készült mezoskálájú modelleknek is részévé váljanak. Ezzel jelentősen javul a szélsőséges időjárási jelenségek ultrarövid távú előrejelzésének megbízhatósága, továbbá az eddigieknél megbízhatóbb becslést tudunk adni az időjárás módosítási projektek hatékonyságát illetően.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A rövid idő alatt lehulló nagy mennyiségű, gyakran erős széllel és jégesővel együtt járó csapadék, valamint a hosszú, akár hetekig elhúzódó csapadékmentes időszakok éghajlatunk jellemzői. Fontos kérdés, hogy hogyan tudunk védekezni ezen időjárási szélsőségekkel szemben. Míg az intenzív zivatarok okozta károk megbízható előrejelzéssel csökkenthetőek, addig a csapadékhiány mérséklésére a csapadékképződési folyamatokba történő mesterséges beavatkozás nyújt elvi lehetőséget. A csapadékképződési folyamatokba történő beavatkozást illetően számos koncepció létezik. Mivel a természetes változékonyság nagyságrendileg megegyezik a beavatkozás várható hatásával, a hatékonyság mérésekkel csak nagy bizonytalansággal mutatható ki. Kutatásaink eredményeként pontosabban lesz előrejelezhető az intenzív zivatarok kialakulása és mozgása; továbbá objektív módszer áll majd rendelkezésre a csapadékképződési folyamatokba történő beavatkozási módszerek hatékonyságának meghatározására.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Novel bin microphysical model will be developed and will be used to investigate the cloud dynamics – microphysics interaction and the efficiency of weather modification. Although the bin microphysical models require large computer capacity, they have a numbers of advantages compared to the bulk microphysical models. The elaboration of new algorithms and the fast increase of the capacity of computers allow us the use this type of scheme for detailed analysis of unsolved problems about the precipitation formation. The high performance computer of the NCAR (Boulder, Colorado , USA) will be used to perform the numerical simulations. The principal purposes of the currently proposed research are:
1) Analysis and investigation of the role of microphysics – cloud dynamic interaction on squall line formation and propagation. Bin microphysics scheme with three-dimensional dynamics will be used for this research. As far as we know this type of the model has not yet been used for the numerical simulation of the squall line.
2) We plan to develop a numerical model to estimate the efficiency of different conceptual models related to the weather modification. The variability of the environmental conditions hinders the correct ascertainment of the efficiency of the weather modification by field observations. We plan to build in our improved detailed bin microphysics scheme into a complex system. This system is going to give us a new tool to study the chance of the increase of winter precipitation in the orographic clouds and convective clouds. This method is thought to be more reliable compared to the currently used bulk parameterization schemes.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Most of the current versions of the microphysical models contain a large numbers of simplifications and parameters, which characterize the mean atmospheric conditions (e.g. size distribution of the precipitation elements). Therefore these models are not able to take into consideration the significant change of the environmental conditions and to calculate correctly the physical variables that differ significantly from the mean values. Our bin scheme does not contain arbitrary assumptions on the size distribution of hydrometeors. Thus, in principle, it can be used for the simulation of the severe storms that significantly differ from the ordinary clouds; furthermore it is able to simulate the precipitation formation if the concentration of the ice forming nuclei is increased artificially. Our model has been applied successfully for the numerical simulation of precipitation formation in the case of stably stratified layer clouds and that of small stratocumulus. In these cases the dynamics – microphysics interaction is not so strong. We intend to prove that (i) our bin microphysical model with three-dimensional dynamics is able to simulate the development and propagation of the squall lines, (ii) this model can be used for testing of the different conceptual models about the weather modification. In order to achieve these goals further improvement of the numerical model is necessary (extension of the type of hydrometeors, development of new melting scheme, improvement of the description of the ice formation). During the second half of the research case studies will be made to prove our assumptions.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The appropriate simulation of the precipitation formation and that of the interaction between cloud microphysics and dynamics allow us to study how precipitation and cloud formation are affected by the change of environmental conditions (e.g. vapor content, temperature, concentration and chemical composition of the atmospheric aerosol particles) due to various natural or artificial processes. Application of remote sensing and direct observations by airplanes with numerical models significantly improve our capability to understand the precipitation formation. The improvement of the computer capacity in the next 5 – 10 years enables the use of bin microphysical models in the operational weather forecast. This will result in significant progress of the ultra-short range weather forecast. The more reliable, preliminary tested weather modification concepts contribute to the improvement of the technology on precipitation enhancements.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The extreme high precipitation intensity with subsequent floods and the long time period with very small amount of precipitation causing drought are the characteristics of our climate. It is important to find the ways how we can protect ourselves from these extreme phenomena. While the damages caused by severe storms can be reduced by reliable weather forecast, the shortage of precipitation can be mitigated by artificial precipitation enhancement. There are numerous conceptual models on weather modification. Because the natural variability of the amount of precipitation in the single clouds is commensurate with the possible effect of the weather modification, it is very difficult to estimate the efficiency purely on the basis of field observations. The application of the results of the currently proposed research will improve the forecast of both the formation and propagation of the severe thunderstorms, and provides us with a tool for the preliminary testing of conceptual models on weather modification.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A csapadékképződés mesterséges befolyásolásának lehetőségét extenzíven kutatták az elmúlt 60 évben főleg laboratóriumi és légköri mérések keretében. A numerikus modellek gyors fejlődésének köszönhetően napjainkra már lehetővé vált, hogy számítógépekkel elvégzett numerikus kísérletekkel adjunk becslést a csapadékképződésbe történő mesterséges beavatkozás (felhőkbe jutatott aeroszol részecskék) hatékonyságára. Jelen kutatás keretében olyan numerikus modelleket fejlesztettünk ki, amelyek lehetővé teszik a hatékonyság pontos becslését. A modell fejlesztéssel és a numerikus kísérletek eredményeivel kapcsolatos eredményeinket rangos nemzetközi folyóiratokban publikáltuk. A megjelent hat tudományos publikáció összesített impakt faktora kb. 19.7.
Results in English
The promise of extra water through cloud seeding (either silver iodide (AgI) or hygroscopic) led scientists to conduct extensive field and laboratory studies for the past 60 years to explore and verify the possibility of this technology. Cloud modeling was one of the tools that scientists hoped to use to help unravel this challenging scientific problem that has only recently reached the level of maturity enabling direct evaluation of the effectiveness of seeding. In the current research we have developed detailed, bin microphysical schemes to make numerical experiments to estimate the efficiency of the cloud seeding. Papers both about the development of the microphysical scheme and about the results of the numerical experiments have been published in the high ranking international journals. The accumulated IF of these papers is about: 19.7.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=116025
Decision
Yes





 

List of publications

  
Lulin Xue; Jiwen Fan; Zachary Lebo; Wei Wu; Hugh Morrison; Wojciech Grabowski; Xia Chu; István Geresdi; Kirk North; Ronald Stenz; Yang Gao; Xiaofeng Lou; Aaron Bansemer; Andrew Heymsfield; Greg McFarquhar; Roy Rasmussen: Idealized simulations of a squall line from the MC3E field campaign applying three bin microphysics schemes: Dynamic and thermodynamic structure, Monthly Weather Review, 2017
Istvan, Geresdi, Lulin Xue, Sisi Chen, Youssef Wehbe, Roelof Bruintjes, Jared A. Lee, Roy Rasmussen, Wojciech Grabowski, Noemi Sarkadi, Sarah Tessendorf: Impact of hygroscopic seeding on the initiation of precipitation formation: results of a hybrid bin microphysics parcel model, Atmospheric Chemistry and Physics, 2021
István Geresdi, Lulin Xue, Noémi Sarkadi and Roy Rasmussen: Evaluation of Orographic Cloud Seeding Using Bin Microphysics Scheme. Three –dimensional simulation of real cases, Journal of Applied Meteorology and Climatology, 2020
Xu L., Xue L., Geresdi I.: How Does the Melting Impact Charge Separation in Squall Line? A Bin Microphysics Simulation Study, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, 2020
Schmeller,G. and I. Geresdi: Numerical simulation of sulphate formation in water drops. Results of a box experiment,, Időjárás, 2017
Geresdi, I. L. Xue and R. Rasmussen: Evaluation of Orographic Cloud Seeding Using Bin Microphysics Scheme. Part I: Two-dimensional approach, J. Appl. Met. and Clim, 2017
Lulin Xue; Jiwen Fan; Zachary Lebo; Wei Wu; Hugh Morrison; Wojciech Grabowski; Xia Chu; István Geresdi; Kirk North; Ronald Stenz; Yang Gao; Xiaofeng Lou; Aaron Bansemer; Andrew Heymsfield; Greg McFarquhar; Roy Rasmussen: Idealized simulations of a squall line from the MC3E field campaign applying three bin microphysics schemes: Dynamic and thermodynamic structure, Month. Weath. Rev, 2017
Noémi Sarkadi, István Geresdi, Greg Thompson, Annette Miltenberger, Phil Rosenberg, and Adrian Hill: Numerical simulation of convective squall lines over Southwest England with detailed microphysical scheme, 9th European Conference of Severe Storm, 2017
István Geresdi, Lulin Xue, Roy Rasmussen and Noemi Sarkad: Numerical simulation of seeding effect using a bin microphysics scheme, 98th AMS Conference (2018, Austin , Texas, USA), 2018
István Geresdi, Noémi Sarkadi, Lulin Xue, R. M. Rasmussen: Numerical simulation of the snow formation using bin microphysics scheme, COST Action ES1404 Harmsnow konferencia/workshop 2018. 10. 30-31., Budapest, 2018
Noémi Sarkadi, István Geresdi, Lulin Xue, Wojciech Grabowski and Jimy Dudhia: Microphysical Impacts on Convection Applying Novel Modeling Methodology in Weather Research and Forecasting Model: Comparison between Bulk and Bin Microphysics, AMS 15th Conference on Cloud Physics/15th Conference on Atmospheric Radiation, Vancouver, 2018. július 9-13, 2018
Wojciech Grabowski, Istvan Geresdi, Noemi Sarkadi and Lulin Xue: Invigoration of Deep Convection in Polluted Environments: Myth or Reality?, 99th American Meteorological Society Annual Meeting, (11th Symposium on Aerosol–Cloud–Climate Interactions), Phoenix, 2019. január 6-11, 2019
Lulin Xue, N. Sarkadi, R. M. Rasmussen, S. A. Tessendorf, W. W. Grabowski, and I. Geresdi: Separating Microphysical Impacts from Dynamic Feedbacks in a Winter Orographic Seeding Case from SNOWIE, 99th American Meteorological Society Annual Meeting, (11th Symposium on Aerosol–Cloud–Climate Interactions), Phoenix, 2019. január 6-11., 2019
Istvan Geresdi, Lulin Xue and Noemi Sarkadi:: Numerical simulation of activation of artificial hydroscopic aerosol particles, EGU Conference, Bécs, 2019. április, 2019
Geresdi István, Lulin Xue, Roy Rasmussen, Sarkadi Noémi: 3D numerical simulation of orographic cloud seeding using a bin microphysics scheme (S12.7), http://www.meeting.co.uk/confercare/iccp2016/Oral%20and%20Poster%20Abstracts.pdf (2016), 2016
Gregory Thompson, Sarah Tessendorf, Geresdi István, Sarkadi Noémi: Drawing insights from a bin microphysical scheme to improve a bulk scheme in a simulation of a 3-dimensional squall line (P3.17), http://www.meeting.co.uk/confercare/iccp2016/Oral%20and%20Poster%20Abstracts.pdf, 2016
Sarkadi Noémi, Geresdi István, Szakáll Miklós: Calculation of polarimetric radar fields using the output of a bin microphysics scheme (P16.7), http://www.meeting.co.uk/confercare/iccp2016/Oral%20and%20Poster%20Abstracts.pdf, 2016
Xue L., Lebo Z., Fan J., Wu W., Geresdi I., Bansemer A., Chu X., Morrison H., Rasmussen R., Grabowski W., Heymsfield A., McFarquhar G.: Simulations of a squall line case from MC3E applying three different bin microphysics schemes, http://www.meeting.co.uk/confercare/iccp2016/Oral%20and%20Poster%20Abstracts.pdf, 2016
Xue L., Geresdi I., Rasmussen R., Tessendorf S., Weeks C., French J., Geerts B., Holbrook P., Blestrud D., Kunkel M., Parkinson S: Simulation of an orographic cloud airborne seeding case using a bin microphysics scheme, http://www.meeting.co.uk/confercare/iccp2016/Oral%20and%20Poster%20Abstracts.pdf, 2016
Schmeller,G. and I. Geresdi: Numerical simulation of sulphate formation in water drops. Results of a box experiment,, Időjárás, 2017
Geresdi, I. L. Xue and R. Rasmussen: Evaluation of Orographic Cloud Seeding Using Bin Microphysics Scheme. Part I: Two-dimensional approach, J. Appl. Met. and Clim, 2017
Lulin Xue; Jiwen Fan; Zachary Lebo; Wei Wu; Hugh Morrison; Wojciech Grabowski; Xia Chu; István Geresdi; Kirk North; Ronald Stenz; Yang Gao; Xiaofeng Lou; Aaron Bansemer; Andrew Heymsfield; Greg McFarquhar; Roy Rasmussen: Idealized simulations of a squall line from the MC3E field campaign applying three bin microphysics schemes: Dynamic and thermodynamic structure, Month. Weath. Rev, 2017




 

Events of the project

  
2017-03-09 15:55:33
Résztvevők változása



Back »