A database of single scattering properties for hydrometeors at microwave and sub-millimetre frequencies
Doktorsavhandling, 2020

Remote sensing observations of hydrometeors (ice or liquid water particles) at microwave and sub-millimetre wavelengths provide important input to numerical weather forecasting through data assimilation and give insight to cloud processes that are relevant for climate prediction. The utilization of such measurements requires information on the single scattering properties (SSP), i.e., knowledge on how single hydrometeors scatter, absorb, and emit radiation. However, SSP are dependant on the particle orientation, shape, and size which in the case of ice hydrometeors are highly variable in nature. Furthermore, simulating the SSP of hydrometeors is challenging and computationally costly. These are the main challenges that this thesis aims to address.

In the first study of this thesis, a new publicly available SSP database for randomly oriented ice hydrometeors was developed. In terms of covered frequencies, temperatures, sizes, and particle models it is the most extensive to date. Particle models include aggregates that were generated using a semi-realistic, stochastic aggregation simulator. The next study utilised the simulator for a more detailed investigation on the dependence of SSP upon aggregate characteristics. For instance, the size and aspect ratio of the constituent crystals were found to have a significant impact on the extinction and back-scattering cross-sections of the aggregates. The third study analysed the ability of the SSP database to reproduce a combination of real passive and active satellite observations, by the GPM (Global Precipitation Measurements) Microwave Imager (GMI) and the CloudSat Cloud Profiling Radar, in radiative transfer (RT) simulations. While the tested particle models could accurately reproduce the real observations, it was difficult to find a particle model that performed better than the others. However, complementary simulations show promise with respect to the upcoming Ice Cloud Imager. In the fourth study, SSP of ice particles that have a preference towards horizontal orientation were calculated and applied to passive RT simulations at 166 GHz. The characteristic polarization signals present in GMI observations of clouds were successfully reproduced by RT simulations. The final study provides SSP of non-spheroidal rain drops, accounting for the effect of aerodynamic pressure upon the drop shape. It was found that this effect can have a small, but non-negligible, impact on passive and active microwave observations.

satellites.

remote sensing

single scattering properties

sub-millimetres

clouds

microwaves

Hydrometeors

water vapour

EA, EDIT-huset. The defence is open to the public online.
Opponent: Prof. Guosheng Liu, Department of Earth, Ocean and Atmospheric Science, Florida State University

Författare

Robin Nils Ekelund

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Mikrovågs- och optisk fjärranalys

A general database of hydrometeor single scattering properties at microwave and sub-millimetre wavelengths

Earth System Science Data,; Vol. 10(2018)p. 1301-1326

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Impact of ice aggregate parameters on microwave and sub-millimetre scattering properties

Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,; Vol. 224(2019)p. 233-246

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Using passive and active observations at microwave and sub-millimetre wavelengths to constrain ice particle models

Atmospheric Measurement Techniques,; Vol. 13(2020)p. 501-520

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Microwave and submillimeter wave scattering of oriented ice particles

Microwave single scattering properties of non-spheroidal rain drops

Regn, moln och snö består i grunden av vattenpartiklar i flytande eller frusen form. Eftersom dessa partiklar har stor inverkan på väder och klimat, är det av vikt att vi kan utföra globala mätningar av deras fördelning och omfattning i atmosfären. För detta krävs satellitinstrument, speciellt sådana som utnyttjar mikrovågor. Detta då mikrovågor har fördelen att de kan penetrera molnen och uppskatta hela dess massa, till skillnad från optiska instrument som bara ser ett molns övre del. Kommande satellitinstrument kommer att utnyttja ett nytt våglängdsområde, så kallade sub-millimeter. Detta resulterar i högre känslighet för de mindre ispartiklar som bland annat finns i cirrusmoln, ismoln som finns högt upp i atmosfären.

För att kunna tolka mätningarna behövs kunskap om partiklarnas spridningsegenskaper, dvs. data som beskriver hur en enskild partikel sprider, absorberar och emitterar strålningen som instrumenten detekterar. Flera faktorer påverkar, huvudsakligen partiklarnas storlek, form och orientering, samt temperatur och strålningens våglängd. Det är komplext och krävande att numeriskt beräkna en enskild partikels spridningsegenskaper. Eftersom ispartiklar dessutom existerar i en mängd olika varianter i naturen, är det ett omfattande arbete att täcka in alla aspekter som måste inkluderas vid tolkningen av mikrovågsmätningar. I vissa fall är även regndroppars form av vikt.

I denna avhandling presenteras ett antal studier ämnade att förbättra hur ispartiklar representeras i mikrovågsmätningar. Spridningsegenskaper för ett flertal olika typer av ispartiklar har simulerats, med fokus på sub-millimeter. Ispartiklarnas form, storlek och orientering har beaktats och spridningsdatan har samlats i en fritt tillgänglig databas. Databasen är den mest omfattande som existerar för mikrovågor och kommer bland annat att utnyttjas i ECMWFs (European Centre for Medium-range Weather Forecasts) framtida väderprognoser. Spridningsdatan har också applicerats i simuleringar utav satellitmätningar, vilka sedan jämförts med riktiga observationer. På så vis har databasens egenskaper och prestanda kunnat verifieras.

Ämneskategorier

Meteorologi och atmosfärforskning

Annan fysik

Oceanografi, hydrologi, vattenresurser

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

ISBN

978-91-7905-279-9

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4746

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

EA, EDIT-huset. The defence is open to the public online.

Online

Opponent: Prof. Guosheng Liu, Department of Earth, Ocean and Atmospheric Science, Florida State University

Relaterade dataset

ARTS Microwave Single Scattering Properties Database [dataset]

DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.1175572

Mer information

Senast uppdaterat

2020-04-02