Collaborative Research: Effects of Air Turbulence and Snowflake Morphology on Snow Fall Speed

合作研究:空气湍流和雪花形态对降雪速度的影响

基本信息

  • 批准号:
    1822192
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 56.26万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-01 至 2023-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Numerical weather models contain built-in assumptions for the fall speed of raindrops and snowflakes. For raindrops, the fall speed is relatively well-constrained near terminal velocity. However, snowflakes can have very complex patterns allowing them to tumble, spin, and collide with other flakes. The result is that forecast models have a difficult time predicting snowflake fall speed, affecting the projection of accumulations on the ground. This award will make use of advanced techniques used in the fluid dynamics community to measure snowflakes in real-world settings and in the laboratory, and use this data to improve numerical weather models. The main societal benefit of the work will be the potential for better weather forecasts, especially for winter weather events that have significant safety and economic impacts. The project also focuses on education and training, and a special public outreach event is planned in coordination with the Minnesota Winter Carnival.The overarching goal of this project is to develop a predictive understanding of the effects of snowflake morphology and atmospheric turbulence on the fall speed of snow. The research team will study the physical mechanisms controlling snowflake fall speed in atmospheric flows with a combination of field campaigns and laboratory experiments, and will evaluate the impact of such mechanisms on snowfall predictions. Field observations will take place at a research station in southern Minnesota, where natural snowflake motion will be obtained by Particle Image Velocimetry (PIV), trajectory of snowflakes will be reconstructed by Particle Tracking Velocimetry (PTV), and the morphology of snowflakes will be quantified by Digital In-line Holography (DIH). Laboratory experiments will be conducted in a custom instrument with 256 air jets that are able to generate turbulent flow. Synthetic snowflakes, manufactured by 3D printing, will enter the instrument and similar PIV and PTV techniques would be used to capture their motion. Finally, the data will be used to develop parameterizations which will be integrated into a bulk microphysics scheme in WRF and assessed through simulations and comparisons to observations. The work plan is derived to answer the following three main research questions: 1) Which aspects of the snowflake morphology are most influential for the snow fall speed? 2) What is the effect of ambient turbulence on the fall speed of a snowflake of given morphology? 3) What is the effect of snowflake fall speed on cloud system characteristics and predicted snowfall?This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
数值天气模型包含雨滴和雪花降速的内置假设。 对于雨滴,秋季速度相对较大,接近末端速度。 但是,雪花可以具有非常复杂的图案,使它们可以滚动,旋转和与其他薄片碰撞。 结果是预测模型很难预测雪花降速的速度,从而影响了地面积累的投影。 该奖项将利用流体动力学社区中使用的先进技术来测量现实世界中和实验室中的雪花,并使用这些数据来改善数字天气模型。 这项工作的主要社会利益将是进行更好的天气预报的潜力,尤其是对于具有重大安全性和经济影响的冬季天气事件。 该项目还关注教育和培训,并计划与明尼苏达州冬季狂欢节进行协调进行特殊的公开外展活动。该项目的总体目标是对雪花形态和大气湍流对雪速的影响进行预测理解。 研究团队将研究控制大气流中雪花降速的物理机制,结合了现场运动和实验室实验,并将评估此类机制对降雪预测的影响。 现场观察将在明尼苏达州南部的一个研究站进行,在那里将通过粒子图像赛车仪(PIV)获得天然的雪花运动,雪花轨迹将通过粒子跟踪速度仪(PTV)重建,而雪花的形态将由数字内部的雪花形态量化。 实验室实验将在具有256个空气飞机的定制仪器中进行,能够产生湍流。 由3D打印制造的合成雪花将进入乐器,类似的PIV和PTV技术将用于捕获其运动。 最后,数据将用于开发参数化,这些参数将在WRF中集成到批量的微物理方案中,并通过模拟和观察比较进行评估。 该工作计划得出以回答以下三个主要研究问题:1)雪花形态的哪些方面对降雪速度最大的影响? 2)环境湍流对给定形态的雪花降速的影响是什么? 3)雪花降速对云系统特征和预测降雪的影响是什么?该奖项反映了NSF的法定任务,并且使用基金会的知识分子优点和更广泛的影响标准,被认为值得通过评估来获得支持。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Snow Particle Analyzer for Simultaneous Measurements of Snow Density and Morphology
用于同时测量雪密度和形态的雪颗粒分析仪
Thin disks falling in air
  • DOI:
    10.1017/jfm.2023.209
  • 发表时间:
    2023-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Amy Tinklenberg;M. Guala;F. Coletti
  • 通讯作者:
    Amy Tinklenberg;M. Guala;F. Coletti
Evidence of preferential sweeping during snow settling in atmospheric turbulence
大气湍流中积雪沉降期间优先清扫的证据
  • DOI:
    10.1017/jfm.2021.816
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Li, Jiaqi;Abraham, Aliza;Guala, Michele;Hong, Jiarong
  • 通讯作者:
    Hong, Jiarong
Settling and clustering of snow particles in atmospheric turbulence
大气湍流中雪颗粒的沉降和聚集
  • DOI:
    10.1017/jfm.2020.1153
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Li, Cheng;Lim, Kaeul;Berk, Tim;Abraham, Aliza;Heisel, Michael;Guala, Michele;Coletti, Filippo;Hong, Jiarong
  • 通讯作者:
    Hong, Jiarong
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