DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-3277-2026
تاريخ النشر: 2026-03-03
المؤلف: Anton Kötsche وآخرون
الموضوع الرئيسي: قياس وتحليل الهطول
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير الاضطراب الجبلي على ميكروفيزياء الثلج وتكوين الهطول في جبال روكي في كولورادو، تحديدًا خلال حملة SAIL من سبتمبر 2021 إلى مايو 2023. باستخدام مجموعة من قياسات الرادار ذات النطاقين W وKa، بالإضافة إلى الملاحظات السطحية من جهاز استشعار تساقط الثلوج بالفيديو (VISSS)، تحدد الأبحاث طبقة مضطربة مستمرة تتشكل في الجانب المحمي من جبل غوثيك خلال أحداث الهطول. تكشف النتائج الرئيسية أن التجميع هو عملية ميكروفيزيائية سائدة داخل هذه الطبقة المضطربة، تحدث بشكل أساسي بين -12 و -15 درجة مئوية، مما يؤدي إلى زيادات كبيرة في انعكاسية الرادار ($Z_e$) وانخفاضات في متوسط سرعة سقوط الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح إنتاج ثلج ثانوي من خلال تفتت الاصطدام الجليدي من خلال زيادة المرحلة التفاضلية المحددة ($K_{DP}$) والانعكاسية التفاضلية القصوى ($sZ_{DR}$)، مما يشير إلى توليد جزيئات ثلج غير متجانسة.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أحداث التجميد المتكررة داخل الطبقة المضطربة، والتي تتميز بزيادات في $Z_e$ ومتوسط سرعات سقوط الجسيمات، حتى عند درجات حرارة أقل من -10 درجة مئوية، مما يشير إلى وجود ماء سائل فوق درجة التجمد (SLW). علاوة على ذلك، لوحظت عمليات التسامي تحت الطبقة المضطربة، كما يتضح من الانخفاضات في $Z_e$ و$K_{DP}$ و$sZ_{DR}$. تُظهر التحليلات الإحصائية وجود ارتباط قوي بين ارتفاع الطبقة المضطربة (TLH) والتضاريس المحيطة، فضلاً عن اتجاه الرياح، مما يبرز دور الخلط الميكانيكي وتجمع الرطوبة في تعزيز الهطول. بينما تكون النتائج محددة للظروف البيئية الفريدة لجبل غوثيك، فإنها تشير إلى أن عمليات مشابهة قد تحدث في مناطق جبلية أخرى، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق في العمليات الميكروفيزيائية المرتبطة بالاضطراب الجبلي.
مقدمة
**ملخص المقدمة**
تعتبر المناطق الجبلية حيوية لدورة المياه في الأرض، وغالبًا ما يُشار إليها بأبراج المياه على الأرض، وهي حساسة بشكل خاص للتغيرات في الهطول (Li et al., 2023). يتطلب الفهم الشامل لعمليات الهطول في هذه المناطق استكشاف الديناميات الميكروسكالية والآليات الميكروفيزيائية التي تحول الماء المكثف إلى هطول. وقد أبرزت الأبحاث الأخيرة أهمية الاضطراب، الذي ينشأ غالبًا من قص الرياح – والذي يتميز بتغيرات كبيرة في سرعة الرياح واتجاهها على مسافات رأسية قصيرة – خاصة عند الواجهة بين تدفقات منخفضة المستوى المحجوبة في الأودية وتدفقات عبر الحواجز غير المحجوبة أعلاه (Ramelli et al., 2021; Kötsche et al., 2025).
تقدم ظاهرة الحجب، الناتجة عن التضاريس الجبلية، تحديات معقدة تم تناولها في دراسات سابقة (Smolarkiewicz and Rotunno, 1989; 1990). بشكل ملحوظ، على منحدرات الجبال المحجوبة، يمكن أن يؤدي تشكيل نفاثات الرأس إلى زيادة سرعات الرياح وتعزيز قص الرياح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي التأثيرات السفلية للحجب إلى تشكيلات ذيل، وتدفقات متكررة، وسلوكيات جوية ديناميكية أخرى تعتبر حاسمة لفهم توزيع الهطول في المناطق الجبلية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الأدوات والمتغيرات المستخدمة في دراستهم، مع التركيز على استرجاع المعلمات الجوية الرئيسية. على وجه التحديد، يشرحون الطرق المستخدمة لقياس معدل تشتت الدوامة (EDR)، وخصائص الطبقة السائلة من خلال بيانات الليدار، وتحديد ارتفاع الطبقة المضطربة (TLH). علاوة على ذلك، يتناول القسم منهجية تحليل العمليات الميكروفيزيائية التي تحدث داخل الطبقة المضطربة، مما يوفر إطارًا شاملاً لفهم الديناميات المعنية.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تحليلًا إحصائيًا شاملاً للطبقة المضطربة، جنبًا إلى جنب مع قياسات ارتفاع قاعدة السحابة (CBH) وارتفاع قاعدة الطبقة السائلة (LLB) طوال مدة حملة SAIL. يهدف التحليل إلى توضيح الخصائص والديناميات لهذه الطبقات الجوية.
بالإضافة إلى ذلك، يستكشف المؤلفون العمليات الميكروفيزيائية التي تؤثر على الطبقة المضطربة، باستخدام بيانات من أدوات KAZR وLIMRAD94. تسلط هذه المناقشة الضوء على التفاعلات المعقدة داخل الطبقة المضطربة وآثارها على فهم تكوين السحب وسلوكها. تساهم النتائج في فهم أعمق للديناميات الجوية ودور العمليات الميكروفيزيائية في تشكيل هياكل السحب.
المناقشة
في هذا القسم من المناقشة، يقوم المؤلفون بتلخيص النتائج من دراسات مختلفة حول دور الاضطراب في تكوين الهطول، خاصة في المناطق الجبلية. يبرزون أن الاضطراب يعزز تجمع الرطوبة ويعزز تطوير السحب والهطول من خلال زيادة التشبع الفائق وتسهيل نمو بلورات الثلج من خلال آليات مثل الترسيب والتجميع. من الجدير بالذكر أن الاضطراب قد أظهر زيادة في عدد جزيئات الجراوبيل الصغيرة وتعزيز عمليات التجميد، والتي تعتبر حاسمة لتراكم الثلوج، خاصة في البيئات الباردة. تؤكد دراسات Aikins et al. (2016) وGrazioli et al. (2015) على أهمية الاضطراب في الحفاظ على ماء سائل فوق درجة التجمد (SLW) وتعزيز إنتاج الثلج الثانوي (SIP) من خلال تصادمات الثلج مع الثلج.
يتناول المؤلفون أيضًا التحديات التي تطرحها الاضطرابات على ملاحظات الرادار، وخاصة تأثير “العمى” الذي يعقد تفسير إشارات الرادار القطبي. يجادلون بأن الاضطراب يزيد من عرض توزيع زاوية الميل للميكرو ميتور، مما يؤدي إلى انخفاض في مقادير الانعكاسية التفاضلية ($Z_{DR}$) والمرحلة التفاضلية المحددة ($K_{DP}$). تهدف هذه الدراسة إلى وصف طبقة مضطربة جبلية في جبال روكي في كولورادو باستخدام قياسات رادار ثنائية القطبية على المدى الطويل، جنبًا إلى جنب مع أدوات أخرى، لفهم أفضل للعمليات الميكروفيزيائية داخل الطبقات المضطربة وتأثيرها على معدلات الهطول. تتضمن المنهجية مقارنة بيانات الرادار فوق وتحت الطبقة المضطربة لاستنتاج رؤى حول العمليات الميكروفيزيائية التي تحدث داخلها، مع الاعتراف بالقيود والافتراضات الكامنة في نهجهم.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-3277-2026
Publication Date: 2026-03-03
Author(s): Anton Kötsche et al.
Primary Topic: Precipitation Measurement and Analysis
Overview
This study investigates the influence of orographic turbulence on snow microphysics and precipitation formation in the Colorado Rocky Mountains, specifically during the SAIL campaign from September 2021 to May 2023. Utilizing a combination of polarimetric W-band and Ka-band radar measurements, along with surface observations from the Video In Situ Snowfall Sensor (VISSS), the research identifies a persistent turbulent layer that forms in the lee of Gothic Mountain during precipitation events. Key findings reveal that aggregation is a dominant microphysical process within this turbulent layer, occurring primarily between -12 and -15 °C, leading to significant increases in radar reflectivity ($Z_e$) and reductions in mean particle fall velocity. Additionally, secondary ice production through ice-collisional fragmentation is suggested by enhanced specific differential phase ($K_{DP}$) and maximum differential reflectivity ($sZ_{DR}$), indicating the generation of anisotropic ice particles.
The study also highlights frequent riming events within the turbulent layer, characterized by increases in $Z_e$ and mean particle fall speeds, even at temperatures below -10 °C, suggesting the presence of supercooled liquid water (SLW). Furthermore, sublimation processes were observed below the turbulent layer, indicated by decreases in $Z_e$, $K_{DP}$, and $sZ_{DR}$. The statistical analysis shows a strong correlation between the turbulent layer height (TLH) and surrounding terrain, as well as wind direction, emphasizing the role of mechanical mixing and moisture convergence in precipitation enhancement. While the findings are specific to the unique environmental conditions of Gothic Mountain, they suggest that similar processes may occur in other mountainous regions, warranting further investigation into the microphysical processes associated with orographic turbulence.
Introduction
**Introduction Summary**
Mountainous regions are critical to the Earth’s hydrological cycle, often referred to as the Earth’s water towers, and are particularly sensitive to variations in precipitation (Li et al., 2023). A comprehensive understanding of precipitation processes in these areas necessitates an exploration of the microscale dynamics and microphysical mechanisms that convert condensed water into precipitation. Recent research has highlighted the significance of turbulence, which frequently arises from wind shear—characterized by substantial changes in wind speed and direction over short vertical distances—especially at the interface between blocked low-level flows in valleys and unblocked cross-barrier flows above (Ramelli et al., 2021; Kötsche et al., 2025).
The phenomenon of blocking, caused by mountainous terrain, presents complex challenges that have been addressed in earlier studies (Smolarkiewicz and Rotunno, 1989; 1990). Notably, along the slopes of blocking mountains, the formation of tip jets can lead to increased wind speeds and enhanced wind shear. Additionally, the downstream effects of blocking can result in wake formations, recirculating flows, and other dynamic atmospheric behaviors that are crucial for understanding precipitation distribution in mountainous regions.
Methods
In this section, the authors outline the instruments and variables utilized in their study, focusing on the retrievals of key atmospheric parameters. Specifically, they detail the methods employed to measure the eddy dissipation rate (EDR), the characteristics of the liquid layer through lidar data, and the determination of turbulent layer height (TLH). Furthermore, the section elaborates on the methodology for analyzing microphysical processes occurring within the turbulent layer, providing a comprehensive framework for understanding the dynamics at play.
Results
In this section, the authors present a comprehensive statistical analysis of the turbulent layer, alongside measurements of cloud base height (CBH) and liquid layer base height (LLB) throughout the duration of the SAIL campaign. The analysis aims to elucidate the characteristics and dynamics of these atmospheric layers.
Additionally, the authors explore the microphysical processes influencing the turbulent layer, utilizing data from the KAZR and LIMRAD94 instruments. This discussion highlights the intricate interactions within the turbulent layer and their implications for understanding cloud formation and behavior. The findings contribute to a deeper understanding of atmospheric dynamics and the role of microphysical processes in shaping cloud structures.
Discussion
In this discussion section, the authors synthesize findings from various studies on the role of turbulence in precipitation formation, particularly in mountainous regions. They highlight that turbulence enhances moisture convergence and promotes cloud and precipitation development by increasing supersaturation and facilitating ice crystal growth through mechanisms such as deposition and aggregation. Notably, turbulence has been shown to increase the number of small graupel particles and enhance riming processes, which are critical for snow accumulation, especially in cold environments. Studies by Aikins et al. (2016) and Grazioli et al. (2015) emphasize the significance of turbulence in sustaining supercooled liquid water (SLW) and promoting secondary ice production (SIP) through ice-ice collisions.
The authors also address the challenges posed by turbulence on radar observations, particularly the “blinding” effect that complicates the interpretation of polarimetric radar signals. They argue that turbulence increases the width of the canting angle distribution of hydrometeors, leading to lower magnitudes of differential reflectivity ($Z_{DR}$) and specific differential phase ($K_{DP}$). This study aims to characterize an orographic turbulent layer in the Colorado Rocky Mountains using long-term dual-polarimetric radar measurements, alongside other instruments, to better understand the microphysical processes within turbulent layers and their impact on precipitation rates. The methodology involves comparing radar data above and below the turbulent layer to derive insights into the microphysical processes occurring within it, acknowledging the limitations and assumptions inherent in their approach.