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1 Warm Rain Detection & Aerosol Impact on Cloud and Rain Zhanqing Li Feng Niu, Ruiyue Chen, Kwon-Ho Lee University of Maryland, College Park, MD

2 Topics Use of CloudSat,, TRMM, Ground-based radars to investigate if MODIS can help detect drizzles estimate rain rate Use of ground-based (ARM) and space-borne (A-Train) measurements to investigate if aerosols have discernible long-term effects on cloud height cloud particle size rainfall frequency

3 Topic I Chen, R., R. Wood, Z. Li, R. Ferraro, F.-L. Chang, 28, Studying the vertical variation of cloud droplets effective radius using ship and space-borne remote sensing data, J. Geophy.. Res., 113, doi: : 1.129/27/JD9596. Chen, R., F. Chang, Z. Li, R. Ferraro and F. Weng,, 28: Impact of the Vertical Variation of Cloud Droplet Size on the Estimation of Cloud Liquid Water Path and Rain Detection. J. Atmos. Sci. 64, Chang, F.-L., Z. Li, 23, Retrieving the vertical profiles of water-cloud droplet effective radius: Algorithm modification and preliminary application, J. Geophy.. Res., 18, D(24), 4763, 1.129/23JD396. Chang, F.-L., Z. Li, 22, Estimating the vertical variation of cloud droplet effective radius using multispectral near-infrared satellite measurements,, J. Geophy.. Res., 17.

4 Schematic Illustration of a Bispectral Retrieval Procedure τ' τ' τ' μm (a) 3.7μm 1.6μm (b) (c) 3.7μm (a) Conventional r e retrievals by assuming dr e /dτ =. (b) The linear-r e retrievals with dr e /dτ = Δr e /τ total, where Δr e = μm as obtained from the 3.7- (red) and 1.6-μm (green) retrieved r e values shown in Figure (a). (c) The optimal linear-r e retrieval for the two channels r e (μm) Chang and Li (JGR. 22, 23)

5 Validation with Ship-borne Radar Estimation of cloud DER, DER profile, LWP from MODIS measurements, 1x1 km, instantaneous. Rain estimation at cloud base from C-band C ship-based radar during EPIC 21,.5x.5 km, 5-min 5 averaged C-band reflectivity LWP(mm) km 3 km km km Chen et al. (28a)

6 Rain rate and Cloud Microphysics 1 1 Correlation Correlation.78 Rain Rate(mm/hr) Rain Rate(mm/hr) Re (μm) base LWP(mm) Rain Rate(mm/hr) Correlation Re top (μm) DER at cloud base are correlated more closely with rain rate than DER at cloud top Chen et al. (28b)

7 DER and Drizzling Drizzling, mean Non-drizzling, mean Drizzling, mean 2.74 Non-drizzling, mean 5.76 Probability.4.3 Probability Re Top (μm) Re Base (μm) Drizzling increases DER at cloud base by 14.98, increases DER at cloud top by 8.8

8 Topic II Aerosol Impact on Rain Frequency, Cloud Thickness & Particle Size Using Long-term Ground and Global Satellite Data

9 Indirect Effects Haywood and Boucher Revs. Geophys. 2 Aerosol Microphysical Effect (AME) Aerosol Invigoration Effect (AIE) 1) Increased CCN - reduces r eff 2) Drizzle suppression - increases LWC 3) Increased cloud height 4) Increased cloud lifetime First indirect effect (AME) Second indirect effect (AIE)

10 A lot of studies on aerosol effects on precipitation with opposite findings Aerosols (not including GCCN) inhibit precipitation: Kaufman and Nakajima 1993; Borys et al, 1998; 2; Rosenfeld and Lensky 1998; Rosenfeld 1999, 2; Givati and Rosenfeld 24 Tao et al (1995), Ferrier et al (1996) Khain et al, 21; Khain and Pokrovsky (24); Khain et al (24a,b) Axel et al (24); Tao et al (24) Teller and Levin(26) Margaritz et al (26) Lynn et al (26) Jirak and Cotton (26) Aerosols can increase precipitation: Ohashi and Kida 22 Shepherd and Burian 23 Amiranashvili et al 24 Filho et al (24) Khain et al (24a,b) Khain et al (25-QJRMS) Axel et al (24); Axel and Beheng (24) Tao et al (24) Van den Heever et al (24) Lynn et al (25a,b) Lynn et al (26) Khain et al (25, 26) Khain and Pokrovsky (26) Rosenfeld IRS8 Talk

11 But little has been done for rain frequency! While rain amount and frequency change in harmony in general, the impact of aerosol on initiation of rain is likely to be more significant than rain amount, as the latter is dictated more by dynamics and abundance of available water

12 Datasets Used Daily ARM SGP data (~2 data samples) Most complete and highest quality measurements of aerosol, cloud, atmospheric state Key variables used: Aerosol CN number concentration on the ground Tipping bucket rain gauge LWP from microwave radiometer Cloud bottom and top heights from cloud radar & lidar NOAA/NCAR Reanalysis MODIS cloud particle size

13 Rainfall Frequency for clouds with different liquid water path at SGP (All-Season Data) Rainfall Frequency for Clouds with High and Moderate LWP 6.% 5.% 4.% 3.% 2.% 1.% LWP:>.8mm R 2 =.988 LWP:.4-.8mm R 2 =.37 LWP:.-.4mm R 2 =.783 AIE? AME? 2.% 1.6% 1.2%.8%.4% Rainfall Frequency for Clouds with Low LWP.% CN Number Concentration (1/cm^3).%

14 Comparison of the Results Obtained in All Seasons and in Summer Only 7.% All Summer 2.% LWP:>.8mm Slope=3.45E-5 Slope=6.6E-5 Rainfall Frequency for Clouds with High and Moderate LWP 6.% 5.% 4.% 3.% 2.% 1.% LWP:.4-.8mm Slope=-.35E-5 Slope=-.25E-5 LWP:.-.8mm Slope=-.14E-5 Slope=-.7E-5 1.6% 1.2%.8%.4% Rainfall Frequency for Clouds with Low LWP.%.% CN Number Concentration (1/cm^3)

15 Cloud Thickness for clouds with different cloud base heights 35 Cloud Thickness (m) CBH:<1km R 2 =.9718 CBH:1km-2km R 2 =.9159 CBH:2km-4km R 2 = CN number concentration (1/cm^3) Most Direct Evidence of the Invigoration Effect!

16 Cloud Base Heights 35 3 Cloud Base Height (m) y = -1.6x R 2 =.224 y = x R 2 =.586 y = 7.995x CBH:<1km CBH:1km-2km CBH:2km-4km Linear (CBH:2km-4km) Linear (CBH:1km-2km) Linear (CBH:<1km) 5 R 2 = CN Number Concentration (/cm^3)

17 Cloud Top Heights (for clouds of cloud base <1km) All Seasons Summer Only 7 1 Cloud Top Height (m) y = 237x R 2 =.8169 y = x R 2 =.7245 Cloud Top Height (m) CTH:>2km 6 CTH:<2km 5 Linear (CTH:>2km) Linear 4(CTH:<2km) y = 97.49x R 2 =.82 y = 22.14x R 2 =.2692 CTH:>2km CTH:<2km Linear (CTH:>2km) Linear (CTH:<2km) CN Number Concentration (/cm^3) CN Number Concentration (/cm^3) For clouds with CBH<1km, clouds are classified into two categories with cloud top heights greater (blue) and less than (red) 2km.

18 Data Aqua/MODIS: Level 3 daily aerosol product: AOD, Angstrom exponent Cloudsat: Level 2 daily products 2C-PRECIP-COLUMN product version : Precip_rate 2B-TAU product version 8: COD, mean Re 2B-GEOPROF-LIDAR product version 3: layer height 2B-CWC-RO product version 8: LWP, IWP Available DATA: collected during Aug 26~Aug. 27 more will be downloading Outputs: Scatter plots for cloud properties vs. Aerosol Index (daily observation) Annual mean AI, COD, Re distribution maps (coincident only)

19 Global Non Precipitable Clouds MODIS AI Cloudsat COD MODIS pixels were chosen where Cloudsat COD exists. AI=AODxAngstrom [Nakajima et al., 21] Cloudsat Re

20 Global Mean Aerosol Indirect Effect From CloudSat and MODIS

21 Competition of two opposite effects Meteorological effects Responses of Rainfall frequency to increasing CN Increase rainfall Invigoration Effects Depend critically on cloudbase!! Suppress rainfall Microphysical Effect Depend critically on available water

22 Future Studies Use of GLOBAL CloudSat-Calipso-MODIS-AMSR-E together with LONG-TERM ground measurements to address the following questions What are the NET effects of aerosols on cloud (coverage, hydrometeor amount, height, etc.) and precipitation on long-term and large scales? Under what conditions, the aerosol s s microphysical effect (AME) is dominant over the thermodynamic effect (AIE), and vice versa; and what is the determinant factor? How do the AME and AIE depend on aerosol properties, weather condition and cloud regimes?

23 Surface temperature (Degree Celsius) T Surface Pressure (hp) LWP:> LWP:.4 LWP:. CN Number Concentration (per cm^3) 982 P LWP: LWP: LWP: CN Number Concentration (/cm^3) Water Vapor (cm) WV Surface Wind Speed (m/s) Wind LW LW LW CN Number Concentration (/cm^3) CN Number Concentration (per cm^3)

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