Cirrus Bulutları

Bu bölümün amacı, şu anda üç ana bulut türü olan cirrus hakkında bilinenler hakkında bilgi sentezlemek ve daha fazla bilgiye ihtiyaç duyulan alanları belirlemektir. Buz parçacıklarından oluşan sirüs bulutları, sıcaklığın genellikle -30 ° C'nin altında olduğu üst troposferde oluşur. Uydu gözlemleri, cirrusun maksimum oluşum sıklığının, mevsimsel olarak büyük bir enlemsel hareketle tropiklere yakın olduğunu göstermektedir. Çok çeşitli cirrus türleri, oluşum mekanizmaları, sıcaklıklar ve coğrafi konumlar üzerinde elde edilen yerinde ölçümler, buzlu su içeriğinin ve parçacık boyutunun genellikle azalan sıcaklıkla azaldığını, buz parçacığı konsantrasyonunun neredeyse sabit olduğunu veya azalan sıcaklıkla biraz arttığını göstermektedir. Bazen güçlü yükselişlerde görülen yüksek buz konsantrasyonları, homojen çekirdeklenmeden kaynaklanır. Uydu tabanlı ve yerinde ölçümler, yuvarlak buz kristallerinin tipik olarak karmaşıklık ve / veya yüzey pürüzlülüğünü gösteren pürüzsüz altıgen şekiller için basit, idealleştirilmiş geometriden farklı olduğunu göstermektedir. Şekilleri, sirüsün ışıma özelliklerini ve iklime geri bildirimleri önemli ölçüde etkiler. Genel dolaşım modellerinin (GCM) en belirsiz bileşenlerinden biri olan sirüs bulutları, iklim değişikliğinin hızını ve coğrafi modelini tahmin etmede en büyük zorluklardan birini oluşturmaktadır. Küçük buz kristallerinin özelliklerinin ve boyut dağılımlarının ve yüzey yapısının iyileştirilmiş ölçümleri (yaklaşık 20 karmaşıklığı ve / veya yüzey pürüzlülüğünü gösterir. Şekilleri, sirüsün ışıma özelliklerini ve iklime geri bildirimleri önemli ölçüde etkiler. Genel dolaşım modellerinin (GCM) en belirsiz bileşenlerinden biri olan sirüs bulutları, iklim değişikliğinin hızını ve coğrafi modelini tahmin etmede en büyük zorluklardan birini oluşturmaktadır. Küçük buz kristallerinin özelliklerinin ve boyut dağılımlarının ve yüzey yapısının iyileştirilmiş ölçümleri (yaklaşık 20 karmaşıklığı ve / veya yüzey pürüzlülüğünü gösterir. Şekilleri, sirüsün ışıma özelliklerini ve iklime geri bildirimleri önemli ölçüde etkiler. Genel dolaşım modellerinin (GCM) en belirsiz bileşenlerinden biri olan sirüs bulutları, iklim değişikliğinin hızını ve coğrafi modelini tahmin etmede en büyük zorluklardan birini oluşturmaktadır. Küçük buz kristallerinin özelliklerinin ve boyut dağılımlarının ve yüzey yapısının iyileştirilmiş ölçümleri (yaklaşık 20μ m) ve farklı bulut dinamik zorlamaları altında baskın buz çekirdeklenme sürecini (heterojen ve homojen buz çekirdeklenmesi) belirlemek, GCM'deki özelliklerinin daha iyi temsiline ve iklim üzerindeki mevcut ve gelecekteki etkilerinin modellenmesine yol açacaktır.

1. Giriş

Üç ana kategoriye ayrılmış 10 temel bulut türü vardır: yüksek bulutlar, orta bulutlar ve alçak bulutlar . Bu çalışmanın odak noktası, yüksek bulutların makrofiziksel ve mikrofiziksel özelliklerini karakterize etmektir: cirrus. Bu bölümün motivasyonu, 2010'da Seaside, Oregon'da, 2013'te Zürih'teki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nde (ETH) ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde "Veri Analizi ve Bulut Mikrofiziksel Ölçümlerinin Sunumu" üzerine yürütülen çalıştaylardan gelmektedir. (MIT) 2014'te. Çalıştayda ve takip eden tartışmalarda mevcut cirrus anlayışının bir sentezini sağlamak için net bir ihtiyaç tespit edildi.

Bu bölümün odak noktası, özelliklerini karakterize etmek için sirrus bulutlarının gözlemlerini ve içindeki ölçümleri kullanmaktır. Cirrus'un makrofiziksel özelliklerini, nasıl oluştuklarını, mikrofiziksel özelliklerini, ışıma özelliklerini ve iklime geri bildirimlerini açıklıyoruz. Bölüm, daha fazla çalışma yapılması gereken alanların bir özeti ile sona ermektedir.

2. Cirrus türleri ve makro ölçek özelliklerinin genel açıklaması

Meteoroloji Sözlüğü ( Huschke 1970 ) buz kristallerinin oluşan beyaz hassas filamentler ya beyaz veya çok beyaz lekeler şeklinde müstakil bulutları gibi saçaklı bulutları tanımlar. Cirrus bulutları, esas olarak, sıcaklıkların genellikle -30 ° C'nin altında olduğu yaklaşık 8 km'nin (25000 ft) üzerindeki üst troposferde oluşur. Tropikal bölgelerden kutup bölgelerine, sirrus bulutu oluşma sıklığı yaklaşık% 33'ten% 7'ye düşer, medyan cirrus bulutu yüksekliği 14'ten 8 km'ye düşer, bulut kalınlığı 2,8'den 1,4 km'ye düşer ve bulut tepesi sıcaklıkları yaklaşık -73 ° ila -60 ° Cbkz. Şekil 2-2 - 2-4, altında). Cirrus bulutları, özellikle gök gürültülü fırtınalardan buz kütlesinin dışarı akışının sonucu olduklarında, yatay ve dikey olarak geniş olabilir. Mükemmel bir cirrus bulutu kapsama klimatolojisi, onlarca yıl boyunca yerdeki gözlemlerden ve gemilerden toplanan geniş bir bulut gözlem setinden türetilmiştir bkz. Şekil 2-1)). İstatistikler, kapsamın Kuzey Amerika ve Asya'da yaklaşık% 30 olduğunu, Avrupa'nın alt bulut tarafından engellenmeyen kısımlarında aynı düzende olduğunu, Güney Amerika'da% 15–% 20 aralığında ve 50'ye kadar yüksek olduğunu göstermektedir. Afrika'nın ekvator bölgelerine göre%, Afrika'nın en güney bölgelerinde% 10'a ve Avustralya'da yaklaşık% 10'a düşüyor. Kuzey Yarımküre'nin kutup bölgelerinde, ortalamalar% 20-% 45 ve Güney Yarımküre'de yaklaşık% 25'tir.

1971-96 dönemi boyunca karada ve gemilerden toplanan geniş bir gözlem veritabanından elde edilen fraksiyonel cirrus bulutu kapsamı (metne bakınız). Şekil, Washington Üniversitesi'nden Ryan Eastman tarafından hazırlanmıştır.

Birincil sirrus bulutu türleri cirrus, cirrostratus ve cirrocumulus'dur. Cirrus, saç buklelerine benzeyen, lifli, iplik benzeri, beyaz tüy bulutlarıdır. Ayrıntılar WMO (1956) ve Amerikan Meteoroloji Derneği'nde (2012) bulunabilir, ancak burada özetlenmiştir. Yüzlerce hatta binlerce kilometre yatay boyutlara sahip katmanlarda veya tabakalarda bulunan en sık meydana gelen sirüs bulutları olan Cirrostratus, bazen ay ve güneş etrafında halelerin ortaya çıkmasına neden olan sütlü, yarı saydam bir buz kristalleri bulutudur . Cirrocumulus, küçük, beyaz pullardan oluşan bulut kümeleri ile yumuşacık bulutlardır.

Birincil cirrus türlerinin her birinin kendileriyle ilişkili türleri vardır. Cirrus kategorisi, buz kristalleri kayda değer bir düşme hızı elde edecek kadar büyük olduğunda (buz kristallerinin düşeyde düştüğü hız) düzensiz veya püsküllü bir şekilde oluşan uncinus alt türlerini içerir, böylece kayda değer dikey genişlikte izler ) oluşturabilir. Bu yollar, yatay rüzgar hızındaki yükseklik ile buz kristallerinin düşme hızındaki değişikliklerin bir sonucu olarak, bazen ortak bir şekle sahip düzensiz veya eğimli bir şekilde kıvrılır. Cirrostratus, lifli örtüleri olan fibratus türlerini içerir. Cirrocumulus, mercek şeklinde veya badem şeklinde olan, genellikle keskin bir şekilde basılmış anahatlara sahip uzun gerilmiş bantlar olan ve genellikle dağlık alanlarla ilişkilendirilen lenticularis türlerini içerir.

Sirrus bulutlarının özellikle dikkate değer yönleri vardır: örneğin, tropikal bölgelerde, subvisual cirrus bulutları bazen tropopozda meydana gelir. Cirrus bulutu optik derinlikleri (bulut optik yoğunluğu, esasen sütunun üstünden altına entegre edilmiş buz parçacıklarının enine kesit alanı), derin gök gürültülü fırtına örslerinde olduğu gibi büyük olabilir, ancak bunlar en sık optik 0.1'in altındaki derinlikler .

Bir fırtınanın tepesinde oluşan ve şekli nedeniyle örs olarak adlandırılan ince katmanlı bir bulut, esasen fırtınanın konvektif kısımlarından dışarıya yayılan buz döküntülerinden oluşan bir sirrustur. Örsler, gök gürültülü fırtınaların beyaz, yoğun kısımlarını veya aktif konvektif sütunu içermez. Örsler, özellikle tropikal bölgelerde, konvektif bulut kaynakları ortadan kalktıktan sonra da devam edebilen geniş, yaygın bulut katmanları oluşturmak için yayılabilir.

Arktik'in cirrus benzeri düşük seviyeli buz bulutları ve buz sisi cirrus olarak kabul edilmez. Orta-atmosferde yaklaşık 5 ila 8 km'de farklı katmanlar halinde, genellikle 100 m'den daha az kalınlıkta oluşan altokümülüs bulutları da değildir. Yuvarlatılmış, genellikle kabarcıklı konvektif elementler içeren sıvı bir su bileşimine eğilimlerini yansıtan, zeminden keskin bir şekilde çizilmiş bulutlar olarak tanımlanırlar. Cirrus, genellikle altokümülüs bulutlarıyla birleşerek derin bir buz bulutu katmanı oluşturur.

Dolaşım bulutu oluşumunun ve özelliklerinin gezegen ölçeğinde haritalanması, uydudan uzaktan algılama gerektirir. Ancak, ince optik derinlikleri ve çok katmanlı bulut sistemlerinin bir parçası olarak sık görülmeleri nedeniyle, pasif ışıma ölçümlerini kullanarak uzaydan sirrus bulutlarını tespit etmenin zor olduğu kanıtlanmıştır. NASA CloudSat ve Cloud – Aerosol Lidar ve Kızılötesi Yol Bulucu Uydu Gözleminin ( CALIPSO ) 2006 yılında piyasaya sürülmesiyle , uzaydan bulut gözlemleri yeni bir çağa girdi. Her iki uydular ile, öğleden sonra Tren (A-Train) burcu parçası olan CloudSat bulut profil radar ve taşıma calipsobir depolarizasyon lidarı [Ortogonal Polarizasyonlu Bulut-Aerosol Lidar (CALIOP) taşıma. Optik olarak daha kalın bulutlara nüfuz edebilen bir milimetre radarının ve optik olarak ince bulutlara duyarlı bir lidarın neredeyse eşzamanlı ve tesadüfi gözlemleri, bulut katmanlarının benzeri görülmemiş bir doğrulukla dikey olarak çözümlenmiş profillemesine izin vermiştir. CloudSat ve CALIPSO'nun piyasaya sürülmesinden bu yana , birçok geri alma algoritması geliştirildi ve küresel cirrus dağıtımları ve karakterizasyonu hakkındaki bilgimiz büyük ölçüde gelişti. Uzaydan yalnızca aktif olan bulut gözlemlerine ek olarak, Orta Çözünürlüklü Görüntüleme Spektroradyometresinden (MODIS) gelen çakışan kızılötesi ışımaların ek asimilasyonunun buz bulutu konumlarının ve mikrofiziksel özelliklerinin alınmasını nasıl daha da iyileştirebileceğini gösterdi.

CloudSat / CALIPSO radarından ve lidar gözlemlerinden gözlemlenen cirrus bulutları, birleşik bir bulut sınırı veri ürünü aracılığıyla türetilmiştir . Genel olarak, cirrus bulut tepeleri, bir milimetrelik radarın hassas olmadığı karakteristik olarak küçük kristal boyutları nedeniyle, yalnızca CALIOP lidar geri saçılım verilerinden türetilir. Cirrus bulut üsleri de çoğunlukla hem lidar hem de bulut fiziği radarı (CPR) geri saçılmasıyla tespit edilebilir. Yine de bulut radar verileri, özellikle lidar ışınını tamamen zayıflatan nispeten kalın sirüs bulutlarında ( 3–5'ten büyük optik derinlikler) sirrus bulut tabanlarının tespitinde kullanımlarını kanıtlamıştır .

2000 , tespit edilen bulut katmanlarını cirrus olarak sınıflandırmak için karşılanması gereken iki temel kriteri tanımlar; maksimum görünür optik derinlik τ ≈3.0 ve maksimum izin verilen cirrus bulut üstü sıcaklığı −40 ° C, homojen donma noktası saf su. Bu metodolojiyi kullanarak, toplanan CloudSat / CALIPSO verilerinin ilk yılından itibaren küresel ortalama sirrus bulutu oluşum sıklığını% 16,7 olarak buldu ( Şekil 2-2), tropikal ve subtropikal zonal kuşaklardaki bu sirrus bulut örtüsünün önemli bir kısmı ile (toplam sirrus kapsamının% 56'sı ekvatorun ± 30 ° enleminde meydana gelir). Dahası, cirrus özellikle karada ~% 30'a varan güçlü bir gece frekansı artışı sergiler bakınız Şekil 2-3). CloudSat / CALIPSO tarafından yapılan cirrus tespitleri , diğer kaynakların sonuçlarından da beklendiği gibi , nispeten yüksek rakım ortaya çıkarmaktadır ( Şekil 2-4 ). CALIPSO verilerini kullanarak (2008)100 ° –180 ° D boylam bandı boyunca tropiklerin yakınında% 70'e varan maksimum oluşum frekansının bulunduğunu gösterin. Değişen mevsimlerle birlikte sirrus bulutu örtüsünün büyük bir enlemesine hareketi buldular. Sirrus bulutlarının dikey dağılımının incelenmesi, tropik bölgelerde 16 km'de yaklaşık% 11'lik maksimum cirrus en yüksek rakım görülme sıklığını göstermektedir.

5.0 ° lat × 5.0 ° lon grid kutuları içinde CloudSat / CALIPSO tarafından tanımlanan sirrus bulutlarının ortalama oluşum sıklığının küresel dağılımı . Bu veriler, gündüz ve gece ölçümlerinin ve tek ve çoklu sirrus katmanlarının 1 yıllık ortalamalarıdır

Küresel toplam, subvisual, ince ve opak sirrus bulutlarının ve derin konvektif bulutların (DCC) (sol) gündüz ve (sağ) gece için bölgesel ortalama oluşumu (%)

0,2 km yükseklik ve 2,5 ° ızgara aralıkları için türetilen sirüs bulutlarının tespit edilen oluşum yüksekliklerinin enlemesine dağılımı. Çizgi, CALIPSO veri dosyalarından (2008 ) alındığı gibi, aynı 1 yıllık süre boyunca ortalaması alınan ortalama tropopoz yüksekliklerini gösterir .

Kutupsal yörüngeli CloudSat / CALIPSO uydularının bir dezavantajı , 16 günlük bir tekrar döngüsü ile sınırlı zamansal çözünürlükleridir. Bu nedenle, tam sirrus yaşam döngülerinin gözlemlenmesi sınırlıdır. CloudSat / CALIPSO'dan geri alımların, jeostasyonel Meteosat İkinci Nesil (MSG) uydusundaki Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager (SEVIRI) ölçümleriyle nasıl tamamlanabileceğini göstermiştir. Algoritmaları, her 15 dakikada bir cirrus optik derinliklerini (0,1 ile 2,5 arasında) ve en yüksek irtifayı alır , Dünya atmosferinin neredeyse üçte birini kapsar ve tesadüfi CALIPSO alımlarına göre eğitilir .

Sık oluşmaları, atmosferdeki yükseklikleri ve opaklıklarının bir sonucu olarak ayrıca bkz . Şekil 2-2- 2-4), cirrus alınan güneş ışınım enerjisi miktarını değiştirir iklim sistemi tarafından, olay güneş ışığının bir kısmını uzaya geri yansıtır. Ayrıca, Dünya yüzeyinden ve atmosferin altından yayılan kızılötesi radyasyon üzerindeki etkileriyle uzaya enerji kaybını da kontrol ederler. Cirrus, su içeriği ve optik özellikleri ve iklim üzerindeki etkileri ile ilgili önemli geri bildirimler önerilmiştir. Cirrus ayrıca yüzey albedosu üzerindeki etkileri ve buz kristali büyümesi bölgelerinde salınan gizli ısı üretimi üzerindeki etkileri nedeniyle Dünya'nın enerji bütçesinde hayati bir rol oynamaktadır. Cirrus bulutları, hem güneş dalga boylarında (yaklaşık 0,8 mikronun altında görünür ışık) hem de kızılötesinde geniş uzaysal kapsamları ve radyasyon alanları ile güçlü etkileşimleri nedeniyle gezegensel enerji bütçesinin önemli bir bileşenidir . Net radyasyon (kızılötesi artı güneş), optik derinlikleri ile ilgilidir. Sirrus bulutları, içlerinden güneş görülebilecek kadar ince olduğunda, gezegensel radyasyon dengesi üzerindeki net etki genellikle ısınır; daha kalın sirüs, daha fazla güneş ışığını yansıtır ve genellikle net soğumayla sonuçlanır.