DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-3223-2026
تاريخ النشر: 2026-03-03
المؤلف: Kevin Ohneiser وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهباء الجوي والغيوم
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة التباين الإقليمي لجزيئات nucleating الجليد (INPs) في موقعين قبل جبليين في وسط أوروبا—إيريسويل، سويسرا، وهوهنبيسنبرغ، ألمانيا—خلال أشهر الشتاء من عام 2024، مع قياسات إضافية من ميلبيز، ألمانيا. تركز الأبحاث على توفر وإزالة INPs ضمن طبقة الحدود الكوكبية (PBL) خلال ظروف رياح Bise، التي تتميز برياح شمال شرقية وتكوين سحب ستراتوس عند درجات حرارة تصل إلى -10 °C. تهدف الدراسة إلى معالجة الأسباب غير الواضحة وراء نقص الجليد والهطول الملحوظ في السحب المتجمدة فوق هضبة سويسرا، مفترضة أن هذا قد يكون مرتبطًا بانخفاض تركيزات INP.
تشير النتائج الرئيسية إلى أنه خلال كل من ظروف Bise الباردة (درجات حرارة السحب الدنيا حوالي -10 °C) وBise الدافئة (درجات حرارة السحب الدنيا فوق 0 °C)، كان هناك تباين ضئيل في تركيزات INP بين هوهنبيسنبرغ وإيريسويل عندما كانت كلا الموقعين ضمن PBL. ومن الجدير بالذكر أن تركيزات INP كانت أقل بكثير خلال ظروف Bise الباردة مقارنةً بـ Bise الدافئة. علاوة على ذلك، عندما كان هوهنبيسنبرغ يقع في التروبوسفير الحر خلال أحداث Bise الباردة، كانت تركيزات INP أعلى بشكل ملحوظ من تلك الموجودة في إيريسويل، التي ظلت في PBL، وكانت قابلة للمقارنة مع القياسات من ميلبيز الخالية من السحب. تشير هذه النتائج إلى أن خزان INP في PBL يتم استنفاده خلال حالات Bise الباردة، على الأرجح بسبب وجود سحب ستراتوس متجمدة، وأن PBL المغلقة بالانقلاب خلال الشتاء، وخاصة خلال تغطية ثلجية واسعة، غير فعالة في تجديد INPs من التروبوسفير الحر.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للهطول والسحب في الدورة الهيدرولوجية، والطقس المحلي، والمناخ العالمي، مع التأكيد على أن السحب المختلطة، التي تحتوي على كل من الماء السائل المتجمد وبلورات الجليد، تهيمن على الطبقة السفلى إلى المتوسطة من التروبوسفير. تساهم العمليات الرئيسية مثل التجميع، والتجميد، والنمو الترسيبي في تشكيل بلورات الجليد، بينما تعتمد آليات تشكيل الجليد الثانوية مثل تكسير الجليد والتفكك التصادمي على بلورات الجليد الموجودة مسبقًا. يعتبر التجميد غير المتجانس، وخاصة التجميد الغمر، ضروريًا لتكوين الجليد فوق -38 °C، ويتطلب جزيئات nucleating الجليد (INPs) التي تخفض بشكل كبير من حاجز الطاقة لتكوين الجليد.
تناقش الورقة تباين تركيزات INP عبر كتل الهواء المختلفة وتأثيراتها على خصائص السحب. على سبيل المثال، تتشكل السحب في المناطق ذات توفر INP المنخفض، مثل بونتا أريناس، تشيلي، جليد أقل مقارنة بتلك الموجودة في بيئات غنية بـ INP مثل لايبزيغ، ألمانيا. تركز الدراسة على هضبة سويسرا، حيث تحدث سحب ستراتوس متجمدة قليلاً بشكل متكرر خلال حالات Bise، التي تتميز برياح شمال شرقية مستمرة. على الرغم من وجود INPs النشطة عند درجات حرارة بين 0 و -10 °C، فإن جزءًا فقط من هذه السحب ينتج هطولًا، مما يثير تساؤلات حول الآليات وراء الحد من تكوين الجليد في هذه المنطقة. تهدف الأبحاث إلى تعزيز فهم تباين INP الإقليمي من خلال الملاحظات في مواقع متعددة على طول مسار كتلة الهواء Bise، مما يساهم في تحسين نماذج الطقس وتوقعات الهطول.
طرق
استخدمت الأبحاث إعدادًا تجريبيًا شاملاً عبر موقعين للقياس، إيري وهوهنبيسنبرغ (HPB)، باستخدام مزيج من أجهزة الاستشعار عن بعد والأجهزة في الموقع كجزء من حملات CLOUDLAB وPolarCAP. تميزت حملة CLOUDLAB بمجموعة من أجهزة الاستشعار المتقدمة الأرضية والجوية، بما في ذلك رادار سحب يعمل بتردد 35 غيغاهرتز ورادار سحب عمودي يعمل بتردد 94 غيغاهرتز، ولايزر رامان القطبي، ومجموعة متنوعة من الأدوات الجوية الأخرى. خلال الحملات الشتوية من 2022 إلى 2024، عزز نظام LACROS قدرات الاستشعار عن بعد، مما سهل القياسات التفصيلية لديناميات السحب والهطول.
تم إجراء أخذ العينات لجزيئات nucleating الجليد (INP) باستخدام جهاز أخذ عينات فلتر الهباء الجوي ذو الحجم المنخفض في كلا الموقعين، مع إعداد الفلاتر في خزانة تدفق هواء لاميني لمنع التلوث. تم استخدام فلاتر بحجم مسام 0.4 ميكرون لأخذ عينات INP، مع فترة جمع نموذجية تبلغ 12 ساعة بمعدل تدفق 25 لتر في الدقيقة\(^{-1}\). تم جمع ما مجموعه 21 عينة في HPB و17 في إيري، جنبًا إلى جنب مع عينات فارغة للتحكم في الجودة. تم دمج بيانات إضافية من أجهزة LACROS وملفات الطقس، بما في ذلك أجهزة قياس الرياح ومعلومات درجة حرارة السطح، لدعم التحليل. كان الهدف من هذا الإطار المنهجي القوي هو توفير رؤى حول العمليات الجوية وتفاعلات الجسيمات في المناطق المدروسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون تركيزات جزيئات nucleating الجليد (INP) في السحب السائلة المنخفضة المستوى المتجمدة خلال ظروف Bise الباردة والدافئة في هضبة سويسرا وجنوب ألمانيا. تفترض الفرضية المركزية أن نقص تكوين الجليد الملحوظ في هذه السحب يعود إلى توفر INP المحدود في نطاق درجات الحرارة من 0 إلى -10 °C، مما يفاقم من إزالة أي INPs موجودة من خلال الهطول. تستخدم الدراسة قياسات من موقعين، إيري في سويسرا وهوهنبيسنبرغ (HPB) في ألمانيا، لتحليل نقل وتفعيل INPs تحت الرياح الشمالية الشرقية السائدة.
تشير النتائج إلى أنه خلال ظروف Bise الباردة، أظهرت كل من إيري وHPB تركيزات منخفضة من INP، مع طيف INP مشابه ونسبة منخفضة من INPs البيولوجية مقارنةً بالظروف الأكثر دفئًا. في المقابل، خلال أحداث Bise الدافئة، زادت تركيزات INP، مما أظهر نسبة أعلى من INPs البيولوجية القابلة للحرارة، متماشية مع القياسات من موقع أعلى في اتجاه الرياح، ميلبيز. تشير النتائج إلى أن INPs تتم إزالتها بسرعة من PBL في الظروف الباردة، بينما تسمح الظروف الأكثر دفئًا بتركيزات أعلى من INP، ربما بسبب النشاط البيولوجي في المناطق المحيطة. تختتم الدراسة بأن تكوين بلورات الجليد الملحوظ يتأثر بتوفر INPs والظروف الجوية، مما يدعم فرضية استنفاد INP في PBL خلال حالات Bise الباردة.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-3223-2026
Publication Date: 2026-03-03
Author(s): Kevin Ohneiser et al.
Primary Topic: Atmospheric aerosols and clouds
Overview
This study investigates the regional variability of ice-nucleating particles (INPs) at two pre-Alpine sites in central Europe—Eriswil, Switzerland, and Hohenpeißenberg, Germany—during the winter months of 2024, with additional measurements from Melpitz, Germany. The research focuses on the availability and removal of INPs within the planetary boundary layer (PBL) during Bise wind conditions, which are characterized by northeasterly winds and the formation of stratus clouds at temperatures as low as -10 °C. The study aims to address the unclear reasons behind the observed lack of ice and precipitation in supercooled clouds over the Swiss Plateau, hypothesizing that this may be linked to insufficient INP concentrations.
Key findings indicate that during both cold-Bise (minimum cloud temperatures around -10 °C) and warm-Bise (minimum cloud temperatures above 0 °C) conditions, there was minimal contrast in INP concentrations between Hohenpeißenberg and Eriswil when both sites were within the PBL. Notably, INP concentrations were significantly lower during cold-Bise conditions compared to warm-Bise. Furthermore, when Hohenpeißenberg was situated in the free troposphere during cold-Bise events, INP concentrations were markedly higher than those at Eriswil, which remained in the PBL, and were comparable to measurements from cloud-free Melpitz. These results suggest that the INP reservoir in the PBL is depleted during cold-Bise situations, likely due to the presence of supercooled stratus clouds, and that the wintertime inversion-capped PBL, particularly during extensive snow cover, is ineffective in replenishing INPs from the free troposphere.
Introduction
The introduction highlights the critical role of precipitation and clouds in the hydrological cycle, local weather, and global climate, emphasizing that mixed-phase clouds, which contain both supercooled liquid water and ice crystals, dominate the lower to middle troposphere. Key processes such as aggregation, riming, and depositional growth contribute to ice crystal formation, while secondary ice formation mechanisms like rime splintering and collisional breakup depend on pre-existing ice crystals. Heterogeneous freezing, particularly immersion freezing, is essential for ice nucleation above -38 °C, requiring ice-nucleating particles (INPs) that significantly lower the energy barrier for ice formation.
The paper discusses the variability of INP concentrations across different air masses and its implications for cloud characteristics. For instance, clouds in regions with low INP availability, such as Punta Arenas, Chile, form less ice compared to those in INP-rich environments like Leipzig, Germany. The study focuses on the Swiss Plateau, where slightly supercooled stratiform clouds frequently occur during Bise situations, characterized by persistent northeasterly winds. Despite the presence of INPs active at temperatures between 0 and -10 °C, only a fraction of these clouds produce precipitation, raising questions about the mechanisms behind the limited ice formation in this region. The research aims to enhance understanding of regional INP variability through observations at multiple sites along the Bise air mass trajectory, contributing to improved weather models and precipitation forecasts.
Methods
The research employed a comprehensive experimental setup across two measurement sites, Eri and Hohenpeißenberg (HPB), utilizing a combination of remote-sensing and in situ devices as part of the CLOUDLAB and PolarCAP campaigns. The CLOUDLAB campaign featured an array of advanced ground-based and airborne sensors, including a scanning 35 GHz and vertically pointing 94 GHz cloud radar, Raman polarization lidar, and various other meteorological instruments. During the winter campaigns from 2022 to 2024, the LACROS system enhanced the remote-sensing capabilities, facilitating detailed measurements of cloud and precipitation dynamics.
Sampling for ice nucleating particles (INP) was conducted using a low volume aerosol filter sampler at both sites, with filters prepared in a laminar flow hood to prevent contamination. Filters with a pore size of 0.4 µm were used for INP sampling, with a typical collection period of 12 hours at a flow rate of 25 L min\(^{-1}\). A total of 21 samples were collected at HPB and 17 at Eri, alongside field blanks for quality control. Additional data from LACROS instruments and meteorological profiles, including windsondes and surface temperature information, were integrated to support the analysis. This robust methodological framework aimed to provide insights into atmospheric processes and particle interactions in the studied regions.
Discussion
In this study, the authors investigate the ice nucleating particle (INP) concentrations in supercooled low-level stratiform liquid clouds during cold and warm Bise conditions in the Swiss Plateau and southern Germany. The central hypothesis posits that the lack of significant ice formation in these clouds is due to limited INP availability in the temperature range of 0 to -10 °C, exacerbated by the removal of any present INPs through precipitation. The study utilizes measurements from two sites, Eri in Switzerland and Hohenpeißenberg (HPB) in Germany, to analyze the transport and activation of INPs under prevailing northeasterly winds.
Results indicate that during cold Bise conditions, both Eri and HPB exhibited low INP concentrations, with similar INP spectra and a reduced fraction of biological INPs compared to warmer conditions. In contrast, during warm Bise events, INP concentrations increased, showing a higher proportion of heat-labile biological INPs, aligning with measurements from a further upwind site, Melpitz. The findings suggest that INPs are rapidly removed from the PBL in cold conditions, while warmer conditions allow for higher INP concentrations, potentially due to biological activity in the surrounding regions. The study concludes that the observed ice crystal formation is influenced by both the availability of INPs and the atmospheric conditions, supporting the hypothesis of INP depletion in the PBL during cold Bise situations.