o Geoscientific Thinking/Learning

Report 7 Downloads 35 Views
York University  Fall Term 2013 Examination: NATS 1780 Weather & Climate Content: o Geoscientific Thinking/Learning o Clouds and Fog o Condensation o H2O o Stability and Structure o Cloud Formation and Precipitation o Composition o Radiation o Aerosols o Temperature Geoscientific Thinking/ Learning ­ Time ­ Space ­ Practice  ­ Systems­orientation  Time Weather vs. Climate Weather: The condition of the atmosphere at a particular time and place o Temperature o Pressure o Humidity  o Clouds o Precipitation o Visibility o Wind o …. Climate: The ‘average weather’ o Accumulation of daily and seasonal weather events over a long period of  time o Extreme events o Heat waves o Cold spells o The frequency of evens distinguishes climates as much as the averages

Space ­ “Geoscientists use spatial thinking extensively whenever they acquire, represent,  manipulate, or reason about objects, processes, or phenomena in space.” Practice • Professional vision o The ability to see features that are important to professional practice • “… field experiences provide practice in transforming the raw material of nature  into the words, signs, and symbols that geoscientists use to capture and  communicate their observations.” Systems­orientation What is a scientific model? • A representation of empirical objects, phenomena, and physical processes that is  logical and objective • Models are simplified reflections of reality • Building and disputing models is fundamental to science  Summary: ­ Time, space, practice and systems­orientation are key to geoscience  thinking/learning ­ Geoscience thinking/learning skills are of use beyond geoscience courses…  BUT… geoscience needs thinking/learning skills developed outside of the  geosciences.  Clouds & Fog Classification of Clouds • Luke Howard (1803) • Introduced a classification system o Based on observations from the ground • Four basic cloud forms o Stratus (Latin for layer) o Cumulus (Latin for heap) o Cirrus (Latin for curl of hair) o Nimbus (Latin for violent rain) • Abercromby and Hildebrandsson  o Modified Howard’s system o Resulting classification system still used today • 10 basic cloud forms o 4 primary cloud groups  High Clouds  Middle Clouds  Low Clouds



Vertical Clouds

1. High Clouds • Altitude of 6­13km (in midlatitudes) o At this altitude the air is cold and dry  Favors formation of ice clouds (almost exclusively)  These clouds appear thin • Three forms o Cirrus (Ci)  Thin wispy clouds blown by high winds   Mares tails   Most common of the cirrus group  Mostly comprised of ice crystals  o Cirrocumulus (Cc)  Has a rippled appearance   Looks like fish scales o Cirrostratus (Cs)  Thin, sheet­like high clouds  Often cover the entire sky  Can see the Sun and/or Moon through them  Light is refracted by ice crystals  Results in halos  Often form in advance of a storm  Used to predict an approaching storm 2. Middle Clouds • Altitude of 2­7km (in midlatitudes) • Composition  o Ice water droplets (primary) o Ice crystals (secondary) o Altocumulus (Ac)  Grey fluffy masses  Can see individual puffy mass  At arms length are about the size of your thumb o Altostratus (As)  Extensive gray mass  Often covers the entire sky 3. Low Clouds • Altitude under 2 km • Almost always composed of liquid water droplets o In cold weather, may contain ice or snow • Three forms o Stratus (St)

 A uniform gray cloud  Often covers the entire sky  Resembles a fog, that doesn’t quite reach the ground  Has a low base  No rain falls from stratus (normal)  Light mist or drizzle (occasional) o Stratocumulus (Sc)  A low, lumpy cloud layer  Lumps appear larger than from Ac)  Has a lower cloud base than Ac  At arms length, is about the size of ones fist  Rain or snow rarely fall from Sc o Nimbostratus (Ns)  A dark, ‘wet­looking’ cloud layer  Associated with raining­all­day days  Associated with light to moderate precipitation  Rain or snow  Often low visibility beneath the cloud deck  Blocks light  Low, irregular cloud base 4. Vertical Clouds • Clouds having vertical structure • Flat cloud bases and puffy, domed tops • 2 forms o Cumulus (Cu)  ‘Fair­weather’ cumulus   Look like floating pieces of cotton  Clouds are separate and distinct  Show only slight vertical growth  Often form on warm, sunny days  If liquid water falls, its only showery  Cumulus congestus  Towering cumulus o Cumulonimbus (Cb)  As cumulus congestus continues to grow it becomes Cb  Associated with thunderstorms, thunder and/or lightning  Violent updrafts  Vertically extensive  Base can be as low as 300m  Can top out in the tropopause at over 11km  Low in the cloud, liquid water present  High in the cloud, ice can be formed

 

High winds at upper levels can shape the cloud to form an  anvil Can produce all types of precipitation 

What are clouds? ­ Droplets of liquid water and/or ice crystals ­ Observing clouds from above (eg. Aircraft) o Light is reflected off the cloud (cf. albedo)  The cloud appears bright ­ Observing clouds from below (eg. Ground) o Light has passed through the cloud  …and has been attenuated by the cloud  The denser and larger the droplets, the more light is attenuated, and  the darker the cloud appears. Scattering of Light • Redirection process • Scatterers (particles/gases) determine: o Quantity o Geometry o Wavelength dependence Classification of Fogs • Process­based classification o Radiation Fog  Processed by radiative cooling of Earth’s surface  As Earth cools after sunset, air above it cools  As air temperature decreases, RH increases until saturation results  in condensation  As temperature continues to decrease, condensation results in  droplet growth o Advection Fog  Warm, moist air (water) moves over colder surface (land)  Air cools, saturation occurs, and condensation o Upslope Fog  When air is forced to rise due to topography  • Eg. The presence of a hill or mountain  As the air mass rises, it expands and cools • If it cools to saturation, condensation may begin (if CCN  present) o Evaporation Fog  When mixing of two, unsaturated air masses results in the  formation of a saturated air mass

  

In cold weather bodies of water are often warmer than the  surrounding air A layer of air above the water can be moist  When this layer of air mixes with the cold air above it, the mixture  can become saturated Condensation occurs, fog results

 Condensation ­ Latent Heat o Hidden energy o Energy that is used to break molecular structure, not bonds o When changing phases, temperature remains constant o Heat will be released or required ­ Stored energy o Energy from the Sun can be stored o Solar energy is absorbed by liquid water o Results in some of the liquid water becoming water vapor o Stored energy can be released, elsewhere in the atmosphere o When the water vapor condenses ­ In a system containing two or more phases  o There is a constant exchange of molecules between the phases o Equilibrium is established when the exchange between the phases is  equivalent ­ Condensation o The rate of water vapor being deposited to the surface is faster than the  rate of water molecules leaving the surface. Energy is released, and the  surroundings are warmed. ­ Evaporation o The rate of water molecules leaving the surface is faster than the rate of  water molecules being deposited to the surface. Energy is required, and the  surroundings are cooled. ­ Vapor Pressure o Molecular collisions exert a force (force can be exerted on a wall, person,  etc.) o Therefore, pressure = force / area o Therefore, pressure is dependent upon the number of molecules colliding  with an area of a surface ­ Saturation Vapor Pressure o The pressure of the vapor of a substance in equilibrium with its condensed  phase (solid or liquid) is called the saturated vapor pressure o This is the maximum amount (with super saturation) of a molecule that  can be found in the vapor phase at a particular temperature and pressure ­ Saturation o Equilibrium between the liquid and vapor phase. For every molecule that  evaporates another must condense. This is dependent upon the temperature  and pressure

­

Unsaturated Air o Air that is holding less water than it could possibly hold. Therefore: non­ equilibrium evaporation is occurring. o Note: objects will dry in unsaturated air, but not in saturated air.

­

Humidity o Refers to the amount of water vapor in the air  Absolute humidity, the weight of water vapor within a specific  volume (g/m^3) o Specific humidity  The weight of water vapor relation to the total mass of the air  parcel (g/kg) ­ Relative humidity o The ratio of the amount of water vapor actually in the air compared to the  maximum amount of water vapor required for saturation at that particular  temperature and pressure. o RH = (H2O (g) content) / (H2O (g) capacity) x 100% o Eg. An air parcel with RH = 25%, contains only 25% of the total water  that the air parcel could hold. o Can alter RH by   Changing the amount of water vapor in an air parcel  Changing the capacity of the air parcel to hold water (change the  temperature) Why Use Relative Humidity? • Importance WRT condensation/evaporation • Evaporation o The greater the difference between the amount of water vapour in the air  and the amount that it could hold (lower the RH)  The higher the rate or evaporation o On a very humid day (high RH)…  Feel hotter, sweat on our skin does not evaporate as quickly, less  cooling effect  Wet clothes don’t dry as quickly, etc. Evaporation & Relative Humidity  ­ The lower the relative humidity, the faster the rate of evaporation – better cooling ­ The higher the relative humidity, the slower the rate of evaporation – poor cooling Relative Humidity and Condensation ­ Condensation  o The higher the RH  The closer the air is to saturation  Less cooling will have to take place in order for the air to become  saturated o Very important to cloud formation

Dew Point ­ The temperature at which an air mass becomes saturated  o RH = 100% ­ Basis for comparison o Compare the ambient temperature with Td  Means for assessing how close to 100% RH an air mass is ­ The dew point is a physical property that serves to characterize an air mass ­ Suppose that… o Day: T = 29 C and RH = 75% o Night: T = 23 C and RH = 100% o The air mass is saturated o Further cooling o Condensation starts o Liquid water (dew) is formed ­ Can use the dew point to calculate RH ­ RH = (SVP @ Td) / (SVP @ T) x 100 ­ Where SVP = saturated vapor pressure ­ Can use a wet­bulb thermometer to measure the dew point ­

Frost Point o If the freezing point of water is reached before saturation… Then the  saturation point is the frost point, not the dew point o When the air becomes saturated, water vapor is deposited to surfaces as a  solid (frost, hoarfrost, white frost)

­

Measuring Relative Humidity o Wet­bulb temperature  The lowest temperature that can be reached by evaporating water  into air  Simulates the cooling effect of water on the skin  The bulb of a thermometer is coated with a wick (a piece of cloth)  and wetted (with water)  Evaporation of the water results in cooling   RH determined by a chart o Psychrometer – Wet and Dry Bulb  Contains a wet­bulb (wetted thermometer) and a dry­bulb  thermometer  Using the difference between these two temperatures • … and the dry bulb temperature • … the RH can be calculated  eg. Suppose  • A dry bulb temperature reads 27.5C

• • •

A wet bulb 24C Depression is 3.5 RH is 75% (via chart)

­

Measuring Dew Point Temperature  o Psychrometer – Wet and Dry Bulb  Same as to measure RH  Obtain the wet and dry­bulb temperatures   Calculate the wet­bulb depression  Difference between wet and dry  Look up the dew­point temperature on a chart

­

Humidex – Heat index o Accounts for humidity effect on temperature  The higher the humidity …  …. The less efficiently we can cool ourselves  therefore hotter it ‘feels’  Apparent temperature  Condensation o At 100% RH, clouds or fog are not always seen forming o A surface is required for the water vapor to condense onto o These surfaces are referred to as aerosols o Serve as nuclei for the formation of clouds OR cloud condensation nuclei  (CCN)

­

­

Super­saturation o If no surface is available… the air mass becomes supersaturated  o  RH > 100%

­

Condensation Nuclei o Air contains aerosols   Small particles suspended in air • Solid or liquid or a combination • Range in size from 0.01 um to 100’s of um o Similar to a liquid which also requires a surface before freezing o Can supercool (T