Ice microphysics from multi-frequency suites of active and passive remote sensing instruments

Abstract

High-latitude processes and polar cloud microphysics envelop research areas the furtherance of which in the more accurate description of the arctic energy budget, climate variability, and feedbacks is essential. This study develops and assesses a multi-frequency and Doppler-inclusive, ice particle size distribution retrieval technique for mean mass-weighted diameter and ice water content, and additionally proposes a radar-only, moment-based phase partition scheme tailored to polar regions. The technique is applied to datasets collected by the ARM research facility at the North Slope of Alaska and two ARM Mobile Facility 2 campaigns (BAECC, AWARE) that comprise a gamut of ground-based profiling sensors including radars at X, Ka, and W bands, lidar, and microwave radiometer. The microphysical retrieval is a multi-instrument task; firstly, a Ka-band -based, reflectivity-velocity power-law scheme estimates an ice sedimentation velocity corrected for the vertical wind component. An attenuation correction is then applied for the estimation of effective reflectivities. Both reflectivity and sedimentation velocity are integrated in a Bayesian scheme that compares observations against lookup-tables in both backscattering and hydrodynamic ice-particle properties. The radar-only, phase partitioning is proven reliable in detecting cloud-top supercooled liquid water layers. Aggregate statistics are computed based on BAECC data. The combined utilization of radar reflectivity in a dual- or triple-frequency forward modeling in conjunction with sedimentation velocity, demonstrates that Doppler observations can assist in microphysical characterizations because connections across observations and simulations of both ice scattering and hydrodynamic properties are less ambiguous compared to scattering-only. Results demonstrate less retrieval spread among X/Ka/W/Doppler or Ka/W/Doppler retrieval scenarios as opposed to X/Ka/W. Lastly, the inclusion of a lower frequency (10-15 GHz) is advocated due to its significance in signal mitigation (attenuation, cross-calibration) and in the retrieval forward modeling ambiguity constraining.

Οι φυσικές διεργασίες σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη και η μικροφυσική των πολικών νεφών συνιστούν πεδία έρευνας η περεταίρω μελέτη των οποίων καθίσταται επιβεβλημένη για την πιο ακριβή περιγραφή του αρκτικού ενεργειακού κύκλου, της κλιματικής μεταβλητότητας, και των μηχανισμών ανάδρασης. Η εργασία αναπτύσσει και εκτιμά μια τεχνική ανάκτησης παραμέτρων κατανομών μεγέθους παγοκρυστάλλων για μέση διάμετρο σταθμισμένη-δια-της-μάζας και κυβικής πυκνότητας πάγου, εδραζόμενη σε παρατηρήσεις πολλών συχνοτήτων και ταχυτήτων Doppler, καθώς επίσης προτείνει ένα σχήμα διαχωρισμού φάσεως υδρομετεώρων για πολικές περιοχές βασισμένο σε ανάλυση ροπών μεγεθών από παρατηρήσεις ραντάρ. Η τεχνική εφαρμόζεται σε βάσεις δεδομένων από την ερευνητική εγκατάσταση του προγράμματος ARM στη Βόρεια Κλίση της Αλάσκα και από δύο αναπτύξεις της Φορητής Εγκατάστασης 2 του ιδίου προγράμματος (BAECC, AWARE) οι οποίες συνιστούν ένα σύνολο κάθετης παρατήρησης από το έδαφος, αισθητήρων ραντάρ σε συχνότητες X, Ka, και W, lidar, και ραδιομέτρων μικροκυμάτων. Η ανάκτηση μικροφυσικών παραμέτρων επαφίεται σε παρατηρήσεις πολλών συχνοτήτων: αρχικά, ένα σχήμα παλινδρόμησης παρατηρήσεων ανακλαστικότητας-ταχήτητας σε Ka- εύρος συχνοτήτων εκτιμά ταχύτητα κατακρήμνισης παγοκρυστάλλων υποκείμενο σε διόρθωση κατακόρυφης συνιστώσας του ανέμου. Κατόπιν, ενεργές ανακλαστικότητες υπολογίζονται βάσει διόρθωσης εξασθένησης σήματος λόγω ατμοσφαιρικής διάδοσης. Οι ανακλαστικότητες και οι ταχύτητες κατακρήμνισης ενσωματώνονται σε Μπαεσιανό στατιστικό σχήμα το οποίο αντιπαραβάλλει παρατηρήσεις έναντι προϋπολογισμένων ηλεκτρομαγνητικών ενεργών διατομών σκέδασης και υδροδυναμικών ιδιοτήτων παγοκρυστάλλων. Ο διαχωρισμός φάσεως βάσει ραντάρ αποδεικνύεται αξιόπιστος στον εντοπισμό στρωμάτων μετασταθούς υγρού νερού επί κορυφών των νεφών. Συγκεντρωτικές στατιστικές υπολογίζονται βάσει των δεδομένων BAECC. Η συνδυαστική υλοποίηση ανακλαστικότητας ραντάρ με ταχύτητες κατακρήμνισης σε σχήμα αντιστροφής δύο- ή τριών- συχνοτήτων, επιδεικνύει το ότι οι παρατηρήσεις Doppler είναι σε θέση να επιχορηγήσουν το μικροφυσικό χαρακτηρισμό μειώνοντας την αβεβαιότητα των αντιστροφών, εξ’ αιτίας της σύνδεσης παρατηρήσεων και προσομοιώσεων ηλεκτρομαγνητικών και υδροδυναμικών ιδιοτήτων ατμοσφαιρικού πάγου έναντι μεθόδων που υλοποιούν μόνο ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν μικρότερες αποκλίσεις των αντιστροφών μεταξύ σεναρίων υλοποίησης X/Ka/W/Doppler ή Ka/W/Doppler έναντι X/Ka/W. Κλείνοντας, η συμπερίληψη παρατηρήσεων χαμηλότερων συχνοτήτων (10-15 GHz) προτείνεται για την καλύτερη διόρθωση σήματος (απορρόφηση, βαθμονόμηση) και περεταίρω περιορισμού της αβεβαιότητας αριθμητικών σχημάτων ατμοσφαιρικών αντιστροφών.