Numerical Study on the Effect of CCN Properties on Stratocumulus Development and Precipitation Using an LES Cloud Model

Abstract

A stratocumulus plays on important role in Earth’s radiation budget due to their persistence and their effect on planetary albedo. The structure and dynamics of stratocumulus is affected by the cloud condensation nuclei (CCN). The CCN affect cloud physics properties which are influenced by the cloud micro physics. In this study, dynamical and thermodynamical evolutions of stratocumulus development and precipitation are investigated with respect to initial CCN properties using the large-eddy simulation (LES) cloud model with explicit microphysics developed at the Cooperative Institute for Mesoscale Meteorological Studies (CIMMS) of the University of Oklahoma. The first experiment showed the characteristics of stratocumulus clouds around the Korean Peninsula during nighttime. In addition to sensitivity experiments with respect to the initial CCN properties, comparative experiments are performed for the daytime vs. nighttime cloud processes focusing on the aerosol indirect effect. For all experiments, four different CCN concentration data are prepared based on observations in Korea and over the Atlantic Stratocumulus Transition Experiment (ASTEX): 1) maritime type in Korea (KM); 2) continental type in Korea (KC); 3) with sea salt form ASTEX (ASS); and 4) without sea salt form ASTEX (ANS). Different properties of initial CCN result in different starting time of precipitation and substantially different pattern of precipitation flux as well. The cloud character and properties strongly depend upon factors such as intensity of updrafts, aerosol concentration, air moisture, environmental conditions, etc. The daytime case show relatively less sensitivity of model variables (except precipitation flux) to initial CCN properties and its precipitation decreased over 20 times on the average than the nocturnal case in all experiments. It is noticeable that the aerosol indirect effect is dominated by the Twomey effect, and the aerosol effect is much lager at nighttime than at daytime. Overall, our results indicate strong sensitivity of stratocumulus and its associated precipitation to concentrations and properties of initial CCN and radiative forcing. The CCN data set used in this study for the Korean case is obtained from observations mark by the first time for CCN in Korea. Key words: cloud condensation nuclei (CCN), large-eddy simulation (LES), stratocumulus, precipitation, sensitivity, cloud model;층적운은 그 분포와 지속 정도가 큼으로 인하여 지구 반사도 변화의 중요인자로서 지구복사평형의 영향력을 가진다. 이와 같은 층적운의 중요성을 인식하고 층적운의 발달과 구조의 연구를 통하여 구름의 특징을 이해하고자 하였다. 구름 발달의 중요한 요소인 구름 응결핵은 구름의 미세와 거세 물리 과정에 영향을 주어 그 구조를 변화시키고 이것은 구름의 특성과 반사도를 변화시킨다. 이 실험을 통하여 초기의 구름 응결핵 분포에 의한 층적운의 발달을 과정에서의 역학적, 열역학적 진화 과정과 강수의 특징을 이해하고자 LES 구름 모형을 이용하여 층적운을 모사하였다. 이때 사용한 관측자료는 한국형 대륙성과 해양성을 대표하는 경우와 청정 해양을 대표하는 ASTEX 자료를 이용하여 비교 분석하였다. 실험 결과는 구름과 구름 응결핵간의 상호작용 (상승류의 강도, 구름 응결핵의 농도, 대기의 수분 정도와 대기 환경 조건 등) 에 강하게 의존하는 경향을 보였다. 이와 같은 구름의 특징과 요소는 초기의 구름 응결핵뿐 아니라 태양 복사 에너지의 영향을 받게 되므로 각 경우들의 낮과 밤의 조건으로 초기 구름 응결핵에 관한 민감도 실험을 하였다. 낮의 경우는 밤의 경우보다 강수를 제외한 결과물은 초기 응결핵에 따른 민감도가 매우 낮았으며 강수량 또한 낮의 경우가 모든 실험 결과에 비하여 평균적으로 20배나 낮은 강수를 보였다. 위의 복사 에너지의 영향은 밤의 경우가 에어로졸의 간접효과가 더 우세함 보여주는 것이다. 이 연구를 통하여 층적운이 초기조건의 구름 응결핵 분포와 복사 에너지에 강한 민감도를 보여 구름의 구조와 강수량에 양향을 주었음을 알 수 있었다. 또한 실험에 사용된 초기자료는 한국에서의 첫 관측자료이었고 한국의 층적운 이해를 위한 연구의 시작이라 할 수 있다.