Cloud Microphysical Measurements with Shadowgraph Imaging Technique

Niedostatki w zrozumieniu niektórych procesów fizyki chmur są główną przyczyną problemów związanych z trafnością prognoz pogod, klimatu i z modelowaniem cyrkulacji atmosferycznej. Chmury składają się przede wszystkim z kropel wody, których rozkład wielkości jest kluczowym parametrem ilościowej charakterystyki mikrofizycznej chmur, niezbędnym do badania czasu ich życia, efektów radiacyjnych i formowania się opadów. Pomiary in situ mają w tym kontekście kluczowe znaczenie dla badań, ponieważ zapewniają bezpośredni wgląd w strukturę i rozmiary kropel w danej objętości chmury. Obrazowanie cieniem (Shadowgraph imaging) wyróżnia się jako stosunkowo niedroga, ale zarazem bardzo skuteczna metoda optyczna do próbkowania hydrometeorów in situ. Pozwala wykonać pomiary cząstek/kropelek na podstawie analizy obrazow cieni rzucanych przez oświetlone cząstki. W niniejszej pracy przyrząd VisiSize D30 (zwany dalej „VisiSize"), pierwotnie zaprojektowany do celów przemysłowych, został zastosowany do wykonania pomiarów atmosferycznych in situ. Umożliwiło to pomiar właściwości mikrofizycznych chmur, takich jak rozkład wielkości kropel (ang. Droplet Size Distribution - DSD), gęstość kropel (ang. Droplet Number Concentration) i zawartość wody w stanie ciekłym (LWC). W ramach pierwszego etapu badań przeprowadzono dwie serie testów laboratoryjnych z użyciem VisiSize na polidyspersyjnych i monodyspersyjnych kroplach wody. Opracowano odpowiednią metodę korekcji pomiarów, aby właściwie skalibrować narzędzie i poprawić szacowanie koncentracji kropel i rozkładu ich wielkości. W pracy oszacowana została również minimalna średnica kropel zapewniająca ich detekcję w calym obszarze obrazowania. Dokładność pomiarów wykonanych za pomocą VisiSize weryfikowano z użyciem monodyspersyjnego generatora kropel. Uwzględniono również skutki zaobserwowanych zderzeń i parowania kropel. Następnie przeprowadzono serię eksperymentów terenowych w Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS), stacji badań środowiskowych znajdującej się tuż pod szczytem Zugspitze w niemieckich Alpach. Przyrządy VisiSize oraz interferometer dopplerowski (PDI) mierzyły rozmiar kropel i ich prędkość w turbulentnym przepływie wewnątrz chmur orograficznych. Porównanie wyników z obu instrumentów (VisiSize i PDI), przy zastosowaniu modyfikacji w fabrycznych algorytmach oprogramowania, wykazało dobrą zgodność pomiarów wielkości i prędkości kropel o średnicach większych niż 13 mikronów. Równocześnie zaobserwowano rozbieżności w wynikach pomiaru koncentracji kropel, zwłaszcza przy ich mniejszych rozmiarach. W toku analizy ustalono, że rozbieżności są skutkiem występowania dwóch zjawisk: różnych własności optycznych czujników w odniesieniu do małych kropel oraz dużych wahan prędkości turbulentnej w stosunku do średniego przepływu, co skutkowało niepewnościami w oszacowaniu objętości powietrza przechodzącego przez sondy PDI. W ostatniej fazie badań wykorzystano VisiSize umieszczony na dachu Instytutu Geofizyki UW obok z optycznego disdrometru laserowego „OTT Parsivel2” do równoczesnych pomiarów cząstek opadowych . Disdrometry, jakkolwiek powszechne stosowane do mierzenia DSD opadów atmosferycznych, mają ograniczoną skuteczność w przypadku małych rozmiarów kropli (np. mżawki). Synchroniczne wykorzystanie VisiSize pozwoliło uzyskać bardziej precyzyjne wyniki pomiarów szerokiego spektrum rozmiarów kropel, z naciskiem na krople mżawki i poszerzyć zakres DSD podlegający pomiarowi. Podsumowując, VisiSize D30 został z powodzeniem wykorzystany do pomiarów mikrofizycznych chmur. Sprawdzał się zadowalająco w wietrznych, pochmurnych i wilgotnych warunkach pogodowych. Co więcej, można było wykazać, że VisiSize może być nie tylko używany do bezpośredniego pomiaru hydrometeorów, ale także może być uważany za wiarygodne narzędzie do weryfikacji nowych systemów klasyfikacji kropel/cząstek w fizyce atmosfery.

Deficiency in understanding some key cloud-related processes is the major source of uncertainty in weather prediction, climate projections, and atmospheric circulation modeling. Clouds are predominantly composed of water droplets. The size distribution of these droplets is a crucial parameter for quantitative microphysical characterization of clouds. It is indispensable for studying cloud lifetimes, radiative effects, and precipitation formation. The in situ measurements are crucial for cloud microphysical research as they provide direct experimental access to individual droplets in a given sample volume. Shadowgraph imaging stands out as a relatively inexpensive yet highly effective optical method for in situ sampling of hydrometeors. It performs direct measurements of particles/droplets by capturing shadow images of them. In this study, a commercial shadowgraph instrument, VisiSize D30 (hereafter called “VisiSize”), originally designed for characterization of industrial sprays, was adapted to in situ atmospheric measurements. The cloud microphysical properties, such as the droplet size distribution (DSD), droplet number concentration (DNC), and liquid water content (LWC) were measured by the VisiSize. First, a series of laboratory tests were conducted using polydisperse cloud-like water droplets. A suitable correction method was developed to improve estimations of droplet number concentration and size distribution. The minimum droplet diameters providing uniform detection across the sampling volume were obtained. Then, the sizing accuracy of VisiSize was verified using a monodisperse droplet generator while the effects of collisions and evaporation of generated droplets were also observed during the lab experiments. Next, a series of field experiments were performed at Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS), an environmental research station in the German Alps. While turbulent orographic clouds were passing the UFS, the VisiSize was measuring the size and velocity of cloud droplets together with a Phase Doppler Interferometer (PDI) device. A comparison of the results after applying modifications to the built-in software algorithms showed a reasonable agreement regarding the droplet sizing and velocimetry between VisiSize D30 and PDI for diameters larger than 13 μm. However, discrepancies were observed concerning the droplet number concentration results, especially in smaller sizes. Further investigation by applying appropriate filters to data has allowed the attribution of discrepancies to two phenomena; different optical performance of the sensors regarding small droplets, and high turbulent velocity fluctuations relative to the mean flow, which results in an uncertain estimate of the volume of air passing through the PDI probe volume. Finally, the VisiSize was utilized alongside an optical laser disdrometer, ”OTT Parsivel2”, to perform simultaneous precipitation measurements during different weather events in Warsaw. Disdrometers, as the common tools for measuring DSD of rainfall, face serious challenges in the drizzle mode (small drop size ranges). The capability of VisiSize to accurately measure a broad range of droplet sizes, especially drizzle drops, was used to prevent the DSD truncation and acquire more precise results. In general, the VisiSize D30 shadowgraph instrument was successfully applied to cloud microphysical measurements. It performed satisfactorily under windy, cloudy, and humid weather conditions. Moreover, it could be shown that the VisiSize, itself, can not only be used for direct measurement of hydrometeors, but also can be considered as a reliable tool to verify new droplet/particle sizing systems in atmospheric physics.