DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-8455-2026
تاريخ النشر: 2026-06-17
المؤلف: Lasse Moormann وآخرون
الموضوع الرئيسي: الظواهر الجوية والمحاكاة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة العمليات الجوية التي تؤثر على التركيب الكيميائي لطبقة الحدود الكوكبية (PBL) في المناطق الريفية في وسط وجنوب ألمانيا خلال أحداث الأمطار الصيفية. تركز على ظاهرتين جويتين محددتين: جبهة دافئة مرتبطة بنظام ضغط مرتفع وجبهة باردة تتبع خط التقارب. من خلال دمج ملفات عمودية قائمة على الطائرات بدون طيار بالقرب من الساعة، والملاحظات المستمرة من الأرض، وبيانات من نموذج توقع ICON، تكشف الأبحاث أن ظروف PBL الضعيفة تعيق الخلط العمودي، مما يؤدي إلى وجود الهباء العضوي المؤكسد بشكل سيء بالقرب من السطح. علاوة على ذلك، تحدد الدراسة أن الخلط العمودي المكبوت في الصباح يؤخر العمليات الكيميائية خلال النهار، وأن النقص المؤقت في الأوزون ($O_3$) بعد الأمطار يُعزى إلى التفاعلات مع انبعاثات السطح حتى يستعيد الخلط التجانس العمودي.
يظهر نموذج ICON دقة في توقع ارتفاع طبقة الخلط تحت ظروف مستقرة ولكنه يفشل خلال تكوين البرك الباردة المرتبطة بأمطار رعدية. تؤكد القياسات في الموقع وجود برك باردة ونشاط حراري لاحق، مما يبرز الاضطرابات في ديناميات PBL. تسهم النتائج في تقليل الشكوك في محاكاة النماذج وتحسين تهيئة PBL، مما يعزز الفهم لتبادل كتل الهواء، وتأثير الهطول على التروبوسفير الريفي السفلي، والتغيرات في التركيب الجوي المرتبطة بالسيناريوهات الجوية الجبهية. تربط هذه الأبحاث بشكل فعال البيانات التجريبية المحلية مع الظروف السطحية الأوسع، مما يعزز مجال علوم الغلاف الجوي.
مقدمة
تؤكد المقدمة على أهمية فهم العمليات الجوية خلال أحداث الطقس المختلفة لتعزيز التنبؤ بالطقس، ونمذجة المناخ، وتقييم المخاطر البيئية. تبرز الدور الحاسم للجبهات الدافئة والباردة في التأثير على ظروف الطقس في خطوط العرض المتوسطة، بما في ذلك تدرجات الحرارة، وأنماط الرياح، والهطول. تعتبر ديناميات طبقات كتل الهواء القريبة من السطح، خاصة خلال تشكيل طبقة الحدود الليلية (NBL) وانتقالها إلى طبقة الحدود الحرارية (CBL)، حاسمة لتبادل الطاقة، وتدفقات الرطوبة، وانتشار الملوثات. تعكس تعقيدات ديناميات طبقة الحدود هذه خلال مرور الجبهات، المتأثرة بالانتقالات الاستقرارية والقص الريحي، تداعيات كبيرة على الظواهر الجوية المحلية وجودة الهواء.
تناقش هذه الفقرة أيضًا قيود التقنيات الرصدية الحالية، مثل أبراج القياس الأرضية والراديوسوندات، التي تفتقر إما إلى التباين المكاني أو توفر ملفات عمودية محدودة. تواجه طرق الاستشعار عن بعد، على الرغم من تقديم بيانات عالية الدقة، تحديات في التقاط الاضطرابات الدقيقة وظروف السطح بدقة. تقدم التطورات الأخيرة، وخاصة دمج الملاحظات القائمة على الطائرات بدون طيار مع نماذج الطقس العددية، نهجًا واعدًا لتعزيز فهم ديناميات طبقة الحدود. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في العمليات الجوية خلال جبهة دافئة وجبهة باردة من خلال دمج القياسات الأرضية، وملاحظات الطائرات بدون طيار، وبيانات النموذج السيني، مما يوفر في النهاية نظرة شاملة على ديناميات الجبهات وتأثيراتها على التركيب الجوي.
طرق البحث
تضمنت منهجية هذه الأبحاث تحليل بيانات من حملتين قياسيتين، BISTUM23 (أغسطس 2023) وBISTUM24 (يونيو 2024)، للتحقيق في آثار أحداث الأمطار على التراص والديناميات في التروبوسفير السفلي. تم فحص نوعين متميزين من أحداث الأمطار: جبهة دافئة ضمن نظام ضغط مرتفع مستقر وجبهة باردة في منطقة التقارب. سمح هذا النهج بإجراء تحليل مقارن للعمليات بعد الأمطار المتأثرة بظروف جوية واسعة النطاق مختلفة. استخدمت الدراسة كل من القياسات المحلية من محطات الأرض والطائرات بدون طيار، بالإضافة إلى بيانات الأرصاد الجوية واسعة النطاق من الراديوسوندات ونموذج ICON.
تم جمع البيانات التجريبية من ثلاث منصات خلال كل حملة، بما في ذلك قياسات مستمرة من الأرض من المختبر المتنقل (MoLa) وقياسات قائمة على الطائرات بدون طيار من المختبر الطائر (FLab). قدمت MoLa بيانات عن الجزء العضوي من جزيئات الهباء الجوي دون الميكرون، وتوزيع حجم الجسيمات، وتركيز عدد الجسيمات (PNC)، ونسبة خلط الأوزون، ومختلف المعلمات الجوية. سهلت قياسات الطائرات بدون طيار تقدير التدرجات لهذه المتغيرات في أدنى 500 متر فوق مستوى سطح البحر، بالإضافة إلى حسابات رقم ريتشاردسون الكلي ($Ri$)، ودرجة الحرارة المحتملة ($\theta$)، ودرجة الحرارة المحتملة المكافئة ($\theta_{eq}$). تضمنت هذه الحسابات عوامل مثل درجة حرارة الهواء، والضغط المحيط، والسعة الحرارية، مع اعتبار تأثيرات التبخر في درجة الحرارة المحتملة المكافئة. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام بيانات الراديوسوند للتحقق من تحليلات النموذج وتقييم الطاقة المحتملة المتاحة الحرارية (CAPE) وارتفاعات طبقة الحدود قبل وبعد أحداث الأمطار.
مناقشة
في قسم المناقشة من الورقة، تم إجراء حملتين قياسيتين، BISTUM23 وBISTUM24، في المناطق الريفية في ألمانيا لدراسة تأثير الظروف الجوية على التروبوسفير السفلي. تم اختيار المواقع بشكل استراتيجي لتقليل التلوث من المصادر البشرية، حيث تقع BISTUM23 في ألبشتات (886 م فوق مستوى سطح البحر) وBISTUM24 في سبيلبرغ (391 م فوق مستوى سطح البحر). استخدمت الحملات نمذجة متقدمة وبيانات سينية، بما في ذلك المسارات العكسية وارتفاعات طبقة الخلط (MLH)، لتحليل ديناميات كتل الهواء وعمليات طبقة الحدود المتأثرة بأحداث الطقس مثل الجبهات الدافئة والعواصف الرعدية.
ركزت دراسة الحالة الأولى على آثار جبهة دافئة على طبقة الحدود في سبيلبرغ في 20 يونيو 2024. أبرزت كيف أن مرور الجبهة الدافئة كبح الارتفاع المتوقع لطبقة الحدود الحرارية (CBL) بسبب الهبوط الواسع النطاق، على الرغم من حدوث الأمطار. كشفت التحليلات أن أحداث الأمطار أدت إلى تمايز كتل الهواء، مع ملاحظات مميزة في أدنى 500 م. وجدت الدراسة أن خلط كتل الهواء بعد الأمطار أدى إلى وجود طبقة مختلطة جيدًا، مع تغييرات كبيرة في تركيزات الغازات النادرة، وخاصة الأوزون (O₃) وتركيز عدد الجسيمات (PNC). تشير النتائج إلى أن التأخير في تمدد CBL يمكن أن يؤثر على الكيمياء الجوية، خاصة فيما يتعلق بتقدم الهباء الجوي وتوزيع الملوثات.
فحصت دراسة الحالة الثانية تأثير جبهة باردة وخط تقارب على التروبوسفير السفلي خلال حدث عاصفة رعدية في 12 أغسطس 2023. وثقت عدم الاستقرار الديناميكي قبل العاصفة الرعدية والاستقرار اللاحق بعد الحدث. أشارت التحليلات إلى أن البرك الباردة تشكلت نتيجة الأمطار، مما قد يعزز العمليات الحرارية والهطول. أكدت الدراسة على أهمية فهم تاريخ وديناميات كتل الهواء في التنبؤ بتوزيع الملوثات وسلوك طبقة الحدود، مما يسهم في فهم أكثر شمولاً للعمليات الجوية في سياق تغير أنماط الطقس.
القيود
تناقش هذه الفقرة القيود التي تم مواجهتها خلال دراسة العمليات الجوية المرتبطة بعاصفة رعدية، وخاصة عدم القدرة على إجراء ملفات عمودية بسبب ظروف الطيران غير الآمنة. بدلاً من ذلك، تم استخدام بيانات MoLa الأرضية، مما كشف أنه بين الساعة 14:30 و15:30، كبح طبقة سحابية قوية الإشعاع والحرارة، مما أدى إلى تدفق حراري عميق مع سرعات رياح سطحية قصوى تبلغ 8 م ث\(^{-1}\). تم تمييز بداية الأمطار بارتفاع طبقة سحابية هابطة وانخفاض كبير في PM 1 بنسبة 40%، مما يدل على خلط الهواء النقي من التروبوسفير.
تسلط التحليلات الضوء على أنه بينما تم إثبات أن سرعات الرياح الأفقية تصل إلى ذروتها قبل الأمطار في أحداث ناتجة عن البرك الباردة، لم تلاحظ الدراسة تدفقًا قويًا للأسفل خلال المرحلة الأولية من الأمطار، على الأرجح بسبب تركيز الدراسات الرصدية السابقة على أحداث الأمطار المطولة. مع تقدم حزام الأمطار، لوحظ تحول في اتجاه الرياح بمقدار 180°، يُعزى إلى منطقة التقارب المتحركة، مما غير مسار الهواء وأثر على مستويات الملوثات المحلية. تؤكد النتائج على ضرورة الحصول على ملاحظات الاضطراب ثلاثية الأبعاد في الموقع، مثل تلك التي تم الحصول عليها من LIDAR الرياح، لالتقاط العمليات المحلية بدقة داخل طبقة الحدود الكوكبية (PBL). بالإضافة إلى ذلك، ستساعد القياسات من المواقع الأقل تلوثًا في فهم التغيرات التركيبية المرتبطة بالعاصفة الرعدية والانبعاثات ذات الصلة.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-8455-2026
Publication Date: 2026-06-17
Author(s): Lasse Moormann et al.
Primary Topic: Meteorological Phenomena and Simulations
Overview
This study investigates the atmospheric processes affecting the chemical composition of the planetary boundary layer (PBL) in rural Central and Southern Germany during summer rain events. It focuses on two specific meteorological phenomena: a warm front associated with a high-pressure system and a cold front following a convergence line. By integrating near-hourly drone-based vertical profiles, continuous ground-based observations, and data from the ICON forecast model, the research reveals that weak PBL conditions inhibit vertical mixing, leading to poorly oxidized organic aerosols near the surface. Furthermore, the study identifies that suppressed vertical mixing in the morning delays daytime chemical processes, and a temporary depletion of ozone ($O_3$) post-rain is attributed to reactions with surface emissions until mixing restores vertical homogeneity.
The ICON model demonstrates accuracy in predicting mixing layer height under stable conditions but falls short during cold pool formation associated with rain showers and thunderstorms. In-situ measurements confirm the presence of cold pools and subsequent convective activity, highlighting disturbances in PBL dynamics. The findings contribute to reducing uncertainties in model simulations and improving PBL parameterization, thereby enhancing the understanding of air mass exchange, the impact of precipitation on the lower rural troposphere, and the atmospheric composition changes linked to frontal weather scenarios. This research effectively connects local experimental data with broader synoptic conditions, advancing the field of atmospheric science.
Introduction
The introduction emphasizes the importance of understanding atmospheric processes during various weather events for enhancing weather prediction, climate modeling, and environmental risk assessments. It highlights the critical role of warm and cold fronts in influencing mid-latitude weather conditions, including temperature gradients, wind patterns, and precipitation. The dynamics of near-surface air mass layers, particularly during the formation of the nocturnal boundary layer (NBL) and its transition to the convective boundary layer (CBL), are crucial for energy exchange, moisture fluxes, and pollutant dispersion. The complexity of these boundary layer dynamics during frontal passages, influenced by stability transitions and wind shear, has significant implications for local weather phenomena and air quality.
The section also discusses the limitations of existing observational techniques, such as ground-based measurement towers and radiosondes, which either lack spatial variability or provide limited vertical profiles. Remote sensing methods, while offering high-resolution data, face challenges in accurately capturing fine-scale turbulence and surface conditions. Recent advancements, particularly the integration of drone-based observations with numerical weather models, present a promising approach to enhance the understanding of boundary layer dynamics. This study aims to investigate atmospheric processes during a warm front and a cold front by combining ground-based measurements, drone observations, and synoptic model data, ultimately providing a comprehensive overview of frontal dynamics and their impacts on atmospheric composition.
Methods
The methodology of this research involved analyzing data from two measurement campaigns, BISTUM23 (August 2023) and BISTUM24 (June 2024), to investigate the effects of rain events on stratification and dynamics in the lowermost troposphere. Two distinct rain event types were examined: a warm front within a stable high-pressure system and a cold front in a convergence zone. This approach allowed for a comparative analysis of post-rain processes influenced by different large-scale meteorological conditions. The study utilized both local measurements from ground stations and drones, as well as large-scale meteorological data from radiosondes and the ICON model.
Experimental data were collected from three platforms during each campaign, including continuous ground-based measurements from the Mobile Laboratory (MoLa) and drone-based measurements from the Flying Laboratory (FLab). The MoLa provided data on the organic fraction of submicron aerosol particles, particle size distribution, particle number concentration (PNC), ozone mixing ratio, and various meteorological parameters. The drone measurements facilitated the estimation of gradients for these variables in the lowest 500 meters above ground level, along with calculations of the bulk Richardson number ($Ri$), potential temperature ($\theta$), and equivalent potential temperature ($\theta_{eq}$). These calculations incorporated factors such as air temperature, ambient pressure, and specific heat, with evaporation effects considered in the equivalent potential temperature. Additionally, radiosonde data were used to validate model analyses and assess convective available potential energy (CAPE) and boundary layer heights before and after the rain events.
Discussion
In the discussion section of the paper, two measurement campaigns, BISTUM23 and BISTUM24, were conducted in rural areas of Germany to study the impact of meteorological conditions on the lowermost troposphere. The sites were strategically chosen to minimize contamination from anthropogenic sources, with BISTUM23 located at Albstadt (886 m a.s.l.) and BISTUM24 at Spielberg (391 m a.s.l.). The campaigns utilized advanced modeling and synoptic data, including backward trajectories and mixing layer heights (MLH), to analyze air mass dynamics and boundary layer processes influenced by weather events such as warm fronts and thunderstorms.
The first case study focused on the effects of a warm front on the boundary layer at Spielberg on June 20, 2024. It highlighted how the warm front’s passage suppressed the expected uplift of the convective boundary layer (CBL) due to large-scale subsidence, despite the occurrence of rainfall. The analysis revealed that the rain events led to a stratification of air masses, with distinct characteristics observed in the lowermost 500 m. The study found that the mixing of air masses post-rainfall resulted in a well-mixed layer, with significant changes in trace gas concentrations, particularly ozone (O₃) and particle number concentration (PNC). The findings suggest that the delayed extension of the CBL can influence atmospheric chemistry, particularly in relation to aerosol aging and pollutant distribution.
The second case study examined the impact of a cold front and a convergence line on the lowermost troposphere during a thunderstorm event on August 12, 2023. It documented the dynamic instability before the thunderstorm and the subsequent stabilization post-event. The analysis indicated that cold pools formed as a result of rainfall, which could enhance convective processes and precipitation. The study emphasized the importance of understanding air mass history and dynamics in predicting pollutant distribution and boundary layer behavior, contributing to a more comprehensive understanding of atmospheric processes in the context of changing weather patterns.
Limitations
The section discusses the limitations encountered during the study of meteorological processes associated with a thunderstorm, particularly the inability to conduct vertical profiling due to unsafe flight conditions. Instead, ground-based MoLa data were utilized, revealing that between 14:30 and 15:30, a strong cloud layer suppressed irradiance and thermal convection, resulting in deep convective inflow with peak surface wind speeds of 8 m s\(^{-1}\). The onset of rainfall was characterized by a descending cloud layer height and a significant reduction in PM 1 by 40%, indicating the mixing of unpolluted free tropospheric air.
The analysis highlights that while it is established that horizontal wind speeds peak before rainfall in cold pool-induced events, the study did not observe a strong downdraft during the initial rainfall phase, likely due to the focus of previous observational studies on prolonged rainfall events. As the rain band progressed, a shift in wind direction by 180° was noted, attributed to a moving convergence zone, which altered the air trajectory and affected local pollutant levels. The findings emphasize the necessity for in-situ 3D turbulence observations, such as those obtained from wind LIDAR, to accurately capture local upwelling and advection processes within the planetary boundary layer (PBL). Additionally, measurements from less polluted sites would aid in understanding compositional changes linked to the thunderstorm and related emissions.