Från rymden, stora däck av tätt placerade stratocumulusmoln ser ut som ljusa bomullsbollar som svävar över havet. De täcker stora områden - bokstavligen tusentals miles av de subtropiska haven - och dröjer kvar i veckor till månader.

Eftersom dessa marina moln reflekterar mer solstrålning än havets yta, kyler jordens yta, livslängden för stratocumulusmoln är en viktig komponent i jordens strålningsbalans. Det är nödvändigt, sedan, för att exakt representera molnlivslängder i jordsystemmodellerna (ESM) som används för att förutsäga framtida klimatförhållanden. Turbulens - luftrörelser som sker i små skalor - är främst ansvarig för livslängden hos marina stratocumulusmoln.

Duggregn – nederbörd som består av vattendroppar mindre än en halv millimeter i diameter – förekommer ständigt inom och under dessa marina molnsystem. Eftersom dessa små droppar påverkar och påverkas av turbulens under marina moln, forskare behöver veta mer om hur duggregn påverkar turbulensen i dessa moln för att möjliggöra mer exakta klimatprognoser.

Ett team ledd av Virendra Ghate, en atmosfärsforskare, och Maria Cadeddu, en huvudingenjör för atmosfärisk forskning inom divisionen Environmental Science vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, har studerat effekten av duggregn inuti marina moln sedan 2017. Deras unika datauppsättning fångade forskare vid DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory.

För ungefär tre år sedan, en medarbetare från Livermore, som ledde nationella ansträngningar för att förbättra molnrepresentationen i klimatmodeller, efterlyste observationsstudier med fokus på duggregn-turbulensinteraktioner. Sådana studier fanns inte vid den tiden på grund av den begränsade uppsättningen observationer och bristen på tekniker för att härleda alla geofysiska egenskaper som är oroande.

"Analysen av den utvecklade datamängden gjorde det möjligt för oss att visa att duggregn minskar turbulensen under stratocumulusmoln - något som bara visades av modellsimuleringar tidigare, ", sa Ghate. "Rikdomen i de utvecklade data kommer att tillåta oss att ta itu med flera grundläggande frågor angående interaktioner mellan duggregn och turbulens i framtiden."

Argonne-teamet satte sig för att karakterisera molnens egenskaper med hjälp av observationer vid Atmospheric Radiation Measurement (ARM)s östra nordatlantiska plats, en användaranläggning för DOE Office of Science, och data från instrument ombord på geostationära och polära satelliter. Instrumenten samlar in tekniska variabler, såsom spänningar och temperaturer. Teamet kombinerade mätningar från olika instrument för att härleda egenskaperna hos vattenångan och duggregn i och under molnen.

Ghate och Cadeddu var intresserade av geofysiska variabler, som molnvatteninnehåll, duggregn partikelstorlek och andra. Så de utvecklade en ny algoritm som synergistiskt hämtade alla nödvändiga parametrar involverade i duggregn-turbulensinteraktioner. Algoritmen använder data från flera ARM-instrument – ​​inklusive radar, lidar och radiometer - för att härleda de geofysiska variablerna av intresse:storlek (eller diameter) av nederbördsdroppar, mängd flytande vatten som motsvarar molndroppar, och nederbörden sjunker. Med hjälp av data från ARM, Ghate och Cadeddu härledde dessa parametrar, publicerade därefter tre observationsstudier som fokuserade på två olika rumsliga organisationer av stratocumulusmoln för att karakterisera interaktionerna mellan duggregn och turbulens i dessa molnsystem.

Deras resultat ledde till ett samarbete med modellbyggare från Livermore. I den ansträngningen, teamet använde observationer för att förbättra representationen av duggregn-turbulensinteraktioner i DOE:s Energy Exascale Earth System Model (E3SM).

"Observationsreferenserna från Ghate och Cadeddus hämtningsteknik hjälpte oss att fastställa att version 1 av E3SM producerar orealistiska duggregnprocesser. Vår samarbetsstudie innebär att omfattande undersökningar av de modellerade moln- och duggregnsprocesserna med observationsreferenser behövs för nuvarande klimatmodeller, sa Xue Zheng, en stabsforskare i atmosfären, Jorden, och energidivisionen på Livermore.

Sade Cadeddu:"Allmänt, den unika kompetensen här på labbet är hänförlig till vår förmåga att gå från rådata till de fysiska parametrarna och därifrån till de fysiska processerna i molnen. Datan och själva instrumenten är mycket svåra att använda eftersom de mestadels är fjärrsensorer som inte direkt mäter vad vi behöver (t.ex. regnhastighet eller flytande vattenväg); istället, de mäter elektromagnetiska egenskaper som backscatter, Dopplerspektra och strålglans. Dessutom, råsignalen påverkas ofta av artefakter, ljud, aerosoler och nederbörd. Rådata är antingen direkt relaterade till de fysiska storheter vi vill mäta genom väldefinierade uppsättningar av ekvationer, eller så är de indirekt relaterade. I det senare fallet, att härleda de fysiska storheterna innebär att lösa matematiska ekvationer som kallas 'inversa problem' som, av sig själva, är komplicerade. Att vi har kunnat utveckla nya sätt att kvantifiera molnens fysiska egenskaper och extrahera tillförlitlig information om dem är en stor bedrift. Och det har satt oss i framkanten av forskningen om dessa typer av moln."

Eftersom de bara har fokuserat på de få aspekterna av de komplexa interaktionerna mellan duggregn och turbulens, Ghate och Cadeddu planerar att fortsätta sin forskning. De avser också att fokusera på andra regioner som norra Stilla havet och södra Atlanten, där molnet, duggregn och turbulensegenskaper skiljer sig mycket från dem i Nordatlanten.