Vertical wind tunnel experiments and a theoretical study on the microphysics of melting low-density graupel

Author(s):  
Karoline Diehl ◽  
Florian Zanger ◽  
Miklós Szakáll ◽  
Andrew Heymsfield ◽  
Stephan Borrmann

Abstract Vertical wind tunnel experiments were carried out to investigate the melting of low-density lump graupel while floating at their terminal velocities. The graupel characteristics such as maximum dimension, density, and axis ratio, were 0.39 ± 0.06 cm, 0.41 ± 0.07 g cm−3, and 0.89 ± 0.06. The air stream of the wind tunnel was gradually heated simulating lapse rates between 4.5 K km−1 and 3.21 K km−1. Each experimental run was performed at a constant relative humidity that was varied between 12 % and 92 % from one experiment to the other. From the image processing of video recordings, variations in minimum and maximum dimension, volume, aspect ratio, density, volume equivalent radius, and ice core radius were obtained. New parameterizations of the terminal velocity prior to melting and during melting were developed. It was found that mass and heat transfer in the dry stage is two times higher compared to that of liquid drops at the same Reynolds number. Based on the experimental results a model was developed from which the external and internal convective enhancement factors during melting due to surface irregularities and internal motions inside the melt water were derived using a Monte Carlo approach. The modelled total melting times and distances deviated by 10 % from the experimental results. Sensitivity tests with the developed model revealed strong dependencies of the melting process on relative humidity, lapse rate, initial graupel density, and graupel size. In dependence on these parameters, the total melting distance varied between 600 m and 1200 m for typical conditions of a falling graupel.

2009 ◽  
Vol 26 (7) ◽  
pp. 1427-1432 ◽  
Author(s):  
M. Thurai ◽  
V. N. Bringi ◽  
M. Szakáll ◽  
S. K. Mitra ◽  
K. V. Beard ◽  
...  

Abstract Comparisons of drop shapes between measurements made using 2D video disdrometer (2DVD) and wind-tunnel experiments are presented. Comparisons are made in terms of the mean drop shapes and the axis ratio distributions. Very close agreement of the mean shapes is seen between the two sets of measurements; the same applies to the mean axis ratio versus drop diameter. Also, in both sets of measurements, an increase in the oscillation amplitudes with increasing drop diameter is observed. In the case of the 2DVD, a small increase in the skewness was also detected. Given that the two sets of measurements were conducted in very different conditions, the agreement between the two sets of data implies a certain “robustness” in the mean shape of oscillating drops that may be extended to natural raindrop oscillations, at least in steady rainfall and above the surface layer.


2019 ◽  
Vol 206 ◽  
pp. 21-29 ◽  
Author(s):  
Jingxin Xu ◽  
Fahua Zhu ◽  
Sheng Wang ◽  
Xiuyong Zhao ◽  
Ming Zhang ◽  
...  

2009 ◽  
Vol 26 (11) ◽  
pp. 2413-2419 ◽  
Author(s):  
B. K. Jones ◽  
J. R. Saylor

Abstract The shapes of falling raindrops are often significantly altered by drop oscillations, complicating dual-polarization radar methods that rely on a predictable, monotonic variation of drop axis ratio α with equivolume drop diameter d. This oscillation behavior varies with d so that time-averaged shapes, which are determined by oscillation mode, sometimes deviate from the d-dependent quiescent shape. The literature identifies a predominance of particular oscillation modes at discrete d, as well as the onset of oscillations at d ≈ 1 mm; however, the specific mechanisms of this phenomenon are unknown. In the present work, measurements of drop axis ratio α were obtained from observations of drops levitated in a vertical wind tunnel. Discordance of the present data with the literature suggests a correlation between oscillation mode and fall trajectory, as well as a steady-state mechanism for the excitation of specific modes for d = 1.3–3-mm drops.


2011 ◽  
Vol 60 (1) ◽  
pp. 87-102 ◽  
Author(s):  
Andrea Farsang ◽  
József Szatmári ◽  
Gábor Négyesi ◽  
Máté Bartus ◽  
Károly Barta

Összefoglalva megállapítható, hogy nagyobb szélsebesség hatására több talajanyag erodálódott, és ezzel együtt megnőtt az áthalmozott tápanyag mennyisége is. Minden vizsgált szélsebesség esetében a szélerózió következtében 3–7%-kal megnőtt az 1 mm és annál nagyobb szemcsék, illetve aggregátumok aránya a kiindulási talajanyag felső 0–1 cm-es rétegében. A finomabb szemcse-, illetve aggregátum-átmérők esetén a fújatást követően csökkenést tapasztaltunk. A leginkább a 315 μm és az annál kisebb szemcsék aránya csökkent, átlagosan 1–2%-kal. A minták kémiai és fizikai elemzéseiből megállapítható, hogy a láda utáni humuszosabb, aggregátumosabb szerkezetű minták N-tartalma nagyobb, mint az alapmintáé. A fogók mintáiban nem tapasztaltunk feldúsulást egy vizsgált elem esetében sem, a fogókban összegyűlt talajanyag kálium- és foszfortartalma is kisebb volt, mint az alapmintáé. Ennek oka, hogy az itt csapdázódott üledékben kisebb a tápanyag-megkötődés helyéül szolgáló leiszapolható rész aránya, mint a kiindulási talajanyagban. A vizsgálatainkból látszik, hogy a szélerózió hatására a lebegtetve, illetve ugráltatva áthalmozott talajszemcsékkel és aggregátumokkal szállított humusz 500–3500 kg/ha nagyságrendben mozoghat a vizsgált csernozjom területen akár egyetlen szélesemény hatására is. A kálium-áthalmozódás mértéke elérheti a 100 kg/ha értéket, a foszforé a 70 kg/ha-t, a nitrogénveszteség mértéke pedig akár 200–300 kg/ha is lehet egy szélesemény alkalmával. E tápanyagmennyiség nagy része több száz méter, de akár kilométeres távolságokra is távozhat a területről. Az általunk végzett szélcsatornás vizsgálatok eredményei becslésnek tekinthetők, hiszen vizsgálatunk során növénymaradvány-mentes, szitált és légszáraz talajanyaggal dolgoztunk. A szitálás eredményeként csupán a 2 mm-es és annál kisebb aggregátumok maradtak meg, ami azonban az intenzív művelés alá vont, porosodott, leromlott szerkezetű talajfelszín körülményeit jól közelíti. Ugyanakkor a természetben zajló széleróziós eseményeknek a szélcsatorna-kísérlet csak leegyszerűsített modellváltozata, hiszen az általunk szimulált szélesemények 15 percig tartottak, s nem tudtunk széllökéseket előállítani, melyek a széleróziós események alakulásában nagy jelentőségűek. Ennek tudatában kell a kapott eredményeket értékelni, mégis érdemes velük foglalkozni. A terepi mérésekkel szemben a szélcsatornában végzett vizsgálatoknak éppen az a legfontosabb előnye, hogy ellenőrzött, kontrollált körülmények között végezzük a méréseket, így rengeteg olyan szempontot meg tudunk vizsgálni, amit terepi mérésekkel lehetetlen lenne. Ilyen szempontok a pontos szélsebesség és szélirány hatása, az erodált felület nagysága és tulajdonságai. Kutatásunk következő lépése a szélcsatornás kísérletekkel vizsgált mintaterületeken terepi, mobil szélcsatornás vizsgálatok végzése, valamint terepi üledékcsapdák elhelyezésével a valós szélesemények által elszállított talaj mennyiségének és minőségének meghatározása. Célunk mind pontosabb képet alkotni a hazai jó minőségű csernozjom talajok szélerózió okozta tápanyagveszteségének mértékéről. A mezőgazdasági művelés alatt álló csernozjom területek feltalajában a tápanyag és szerves anyag szélerózió útján történő mozgási törvényszerűségeinek feltárása több szempontból is hasznos: segítséget jelent a területi tervezésben, a defláció szempontjából optimális területhasználat és művelési módok meghatározásában. Képet kapunk arról, hogy a legnagyobb gazdasági potenciállal rendelkező termőtalajunk milyen veszélyeknek van kitéve, s hogy a nem megfelelő időben, nem megfelelő nedvességviszonyok mellett történő talajművelés következtében kialakuló szerkezetromlás (porosodás) miatti deflációs károk milyen tápanyagveszteséggel járhatnak együtt.


2009 ◽  
Vol 48 (9) ◽  
pp. 1790-1802 ◽  
Author(s):  
David P. Duda ◽  
Patrick Minnis

Abstract A probabilistic forecast to accurately predict contrail formation over the conterminous United States (CONUS) is created by using meteorological data based on hourly meteorological analyses from the Advanced Regional Prediction System (ARPS) and the Rapid Update Cycle (RUC) combined with surface and satellite observations of contrails. Two groups of logistic models were created. The first group of models (SURFACE models) is based on surface-based contrail observations supplemented with satellite observations of contrail occurrence. The most common predictors selected for the SURFACE models tend to be related to temperature, relative humidity, and wind direction when the models are generated using RUC or ARPS analyses. The second group of models (OUTBREAK models) is derived from a selected subgroup of satellite-based observations of widespread persistent contrails. The most common predictors for the OUTBREAK models tend to be wind direction, atmospheric lapse rate, temperature, relative humidity, and the product of temperature and humidity.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document