Atmospheric Modelling

Openboek examen. Mondeling examen van het theorie gedeelte die bestaat uit een vraag van een paper (of meerdere) en twee uit de cursus. Schriftelijk examen bestaande uit 4 oefeningen waarvan sommige gelijkaardig zijn aan de takehomes. Essentieel om voldoende punten te halen op de voorafgaande practica en om alle takehomes op voorhand te maken!

Sinds 2017-2018 werd een deel van het vak Remote Sensing of the Atmosphere hierbij gegeven, bekijk dus zeker ook daar de examenvragen van (sommige kunnen overeenkomen). Om te compenseren werd een deel van dit vak naar GRM3 verschoven. Enkele vragen van voor 2017-2018 zijn dus niet meer van toepassing voor dit vak.

2017-2018

Oral:

1. Assume two air masses, one is clean with not much CCN, the other one is polluted and has a lot of CCN. Both air masses are rising (upward motion of the atmosphere) en will form cloud droplets. Make a sketch for both situations and show the change of the droplet's radius and the supersaturation in time. What is the essential difference between both situations with clean and polluted air?

2. What is the Marshall-Palmer relationship? Explain how this relation is used to derivate rainfall rate. What is the error made when unusual large rain drops are formed which aren't comparable to the Marshall-Palmer relationship? Will the algorithm over- or underestimate the rainfall?

3. Precipitation can be convective or stratiform. How does the precipitation intensity between these two systems differ? What kind of effect does the type of precipitation (convective/stratiform) have on the relationship between temperature and precipitation intensity?

Excercices:

1. A map is shown with lines of equal geopotential height and isothermes. Is cold or warm advection occurring at point A? How can you quantify the magnitude of this advection term?

2. Takehome 17 a&b with different numbers

3. An air parcel has a vapor pressure of 24.33 hPa and a temperature of 20°C. The water vapor diffusion coefficiënt of air is given by:

D=2.10^(-2).T^(0.81). 1/P

Where P is the pressure and T is the temperature. Calculate how much time it takes in this case for a droplet to grow from 10 to 20 µm by the process of water difussion only.

4. The divergence in the atmospheric column in between 1000-500 hPa is 3.10^-7 /s. Above 500 hPa there is covergence until a pressure level of 200 hPa of 2.10^-7 /s. What is the value of ws=dps/dt?

2015-2016

Augustus

1. Papers: IPCC gebruikt vaak de term 'stralingsforcering'. Waarom is dit misleidend? Illustreer aan de hand van gelezen papers.

2. Geef formule die evolutie luchtdruk met tijd weergeeft. Welke atmosferische variabelen komen voor in deze formule? Leg uit waarom deze atmosferische variabelen een invloed hebben op de oppervlaktedruk.

3. LWC en detrainment uitleggen

Reeks 1

Oral:

1. How does the amount of aerosols influence the rain-forming process? Make a sketch where you plot the evolution of the droplet radius and supersaturation with time for a cloud in clean air and polluted air. A lot of questions asked about figure 6.16 in Wallace & Hobbs, e.g. what is the influence of pollution on the activation on droplets?

2. In which paper did we see the explanation for the recent slowing down of global warming? How do they explain this and what methods did they use?

3. How is the surface pressure calculated in an atmospheric model (equation + explain principle + discretization). What is fundamentally different with the calculation of the geopotential in an atmospheric model?

Exercises:

1. A map is shown with lines of equal geopotential height and isothermes. Is cold or warm advection occurring at point A? How can you quantify the magnitude of this advection term?

2. A model has a grid spacing of 1 km and a timestep of 30 s. With an upstream FED the model calculates an advection wave with a speed of 100km/hr, what is the value of the numerical amplification factor for this model? (values for p were not given)

3. Take home exercises 17 A and B but with different values (COSMO model: calculate the time when only autoconversion and accretion is considered)

4. An aerosol with a thin layer of water around it has a total radius of 3E-8 m. In a labo, experiments are conducted in a chamber where T = 20°C and supersaturation = 4%. Will this droplet grow, evaporate or reach a steady state?

Reeks 2

Oral:

1. Given a map (north up) with lines of geopotential thickness (5 km to the lower left to 5.4 km to the upper right) between the 1000 and 500 hPa level. At the surface, there is a southerly wind. In which direction is the wind at the 500 hPa level? Is there cold advection or warm advection? Explain.

2. What is meant with the effective radius of a hydrometeor? In which paper that we discussed did we see this in detail? What were the conclusions of that paper?

3. Explain the CFL criterium.

Excercises:

1. An air parcel has a vapor pressure of 24.33 hPa and a temperature of 20°C. The water vapor diffusion coefficiënt of air is given by:

D=2.10^(-2).T^(0.81). 1/P

Where P is the pressure and T is the temperature. Calculate how much time it takes in this case for a droplet to grow from 10 to 20 µm by the process of water difussion only.

2. Sedimentation in the COSMO model:

Gridbox at height 850 hPa and vertical extend of 500m. There are raindrops in this gridbox, with a total mixing ratio of 3.10^-3 kg/kg. The Tempature is 20°C. How long does it take for the mixing ratio to reduce to 1.5.10^-3 kg/kg? There are no raindrops in the atmosphere column above this gridbox.

Will -in this COSMO model- the average size of the drop increase, decrease, or stay the same? Explain why.

3. A collector drop with radius 30 µm catches slightly smaller drops with a radius of 20µm. Will the collection efficiency stay the same, increase or decrease when the collector drop grows? Explain why.

4. The divergence in the atmospheric column in between 1000-500 hPa is 3.10^-7 /s. Above 500 hPa there is covergence until a pressure level of 200 hPa of 2.10^-7 /s. What is the value of ws=dps/dt?

2014-2015

Oral:

Reeks 1

1. If the number of droplets linearly decreases with height, how would this be implemented in the continuous collection model?

2. How does an atmospheric model calculates the easterly wind advection? Derive an equation using the primitive equations. Discretisize. (kinda like this:
   For a given situation, the meridional (v-) component of the wind is zero. Write, from the horizontalequation of motion, an expression for the zonal (u-)component of the wind, and describe what the different terms refer to. )

3. How does land use change affects the ocean temperature? Use one paper to explain this --> paper about deforestation and climate forcing

Reeks 2

1. Explain the growth of a droplet within subsaturated/supersaturated air + some smaller questions regarding the diagram + what does delta E mean?

2. Effect of warm advection on the formation of extratropical cyclones + some smaller questions regarding extratropical cyclones.

3. Explain the taylor diagram from the paper regarding the Alpine flood. What does it show and what do you learn from it.

Written exercises:

Reeks 1

a. a model has a grid spacing of 1km and a timestep of 30s. With an upstream FED the model calculates an advection wave with a speed of 100km/hr, what is the value of the numerical amplification factor for this model?

b. From a weather card, it can be read that at 850 hPa the temperature increases between 12:00UTC and

15:00UTC by 3K. If you assume that advection played a minor role, what is the average diabatic heating

rate between 12:00UTC and 15:00UTC at the 850hPa level?

c. For the same situation as under b), but now assuming that only the horizontal advection can be neglected,

estimate the average vertical temperature advection and diabatic heating rate at the 850hPa level between

12:00UTC and 15:00UTC. You can assume a vertical lapse rate of 6°C/km, a surface temperature of 20°C

and a vertical velocity at 850hPa of 5·10-3 m/s.

d. A collector cloud drop has a radius of 30micrometers. A second drop has a radius of 20mirometer. Would the Collision Efficiency increase or decrease as the first drop increases in radius?

2013-2014

mondeling:

1. Het ontstaan en het mechanisme van een extratropische cycloon uitleggen op een kwalitatieve manier. Maak een link in je uitleg naar de primitieve vergelijking van behoud van warmte en de hypsometrische vergelijking.

2. De paper zoeken die 10 jaarlijkse variaties als oorzaak van regionale klimaat veranderingen heeft aangetoond. Methode uitleggen hoe ze dat gedaan hebben + enkele figuren hiervan uitleggen

oefening:

1. Atmosfeer met de volgende structuur. Tussen 1000 - 500 hPa is er divergentie van (waarde) en vanaf 500 - 200 hPa is er convergentie van (waarde). Bereken met deze 2 waardes dp/dt=ω

2. Bereken de collector efficiency gegeven dat de straal van druppel een gelijk is aan 30 micron en de tweede druppel 20 micron

3. Oefening waarbij je de straal van een druppel moest berekenen na een gegeven tijdsperiode. Gegevens: tijdsperiode, supersaturatie, verzadigde damp druk, diffusie constante, temperatuur.

4. Takehome exercise 17 vraag A en B met andere waardes.

mondeling:

1. Zowel een positieve als een negatieve relatie tussen neerslag en sea surface temperature werden gevonden in de literatuur. Leg de mogelijke oorzaken voor zowel de positieve als de negatieve correlatie uit.

2. a) Een bevochtigbaar onoplosbaar aerosol met straal Raer zweeft in de lucht. Leid een vergelijking af voor de minimale oververzadiging (Smin), die nodig is om het aerosol te laten groeien (tot een wolkendruppel). Je mag de vergelijkingen die we in de les hebben afgeleid als basis gebruiken.
   b) Beschouw nu een identiek aerosol als onder a), maar nu WEL oplosbaar in water? Waarom verandert de minimale oververzadiging (Smin), die nodig is om het aerosol te laten groeien?
   c) Neem aan dat de oververzadiging van de omgevingslucht 0,3% is. Schat de straal van de druppel die zich zal vormen op een ammonium sulfaat ( (NH4)2SO4 ) deeltje van 10^-19kg. En op zo een deeltje dat 10 maal zo zwaar is?

Oefeningen:

1. Voor een bepaalde situatie is de meridionale (v-) component van de wind gelijk aan nul. Geef een vergelijking voor de zonale (u-) component van de wind en beschrijf waar de verschillende termen naar refereren.

2. Uit een weerkaart kan afgeleid worden dat op het 850hPa niveau de temperatuur tussen 12:00UCT en 15:00UCT met 3K toeneemt. Wanneer je aanneemt dat de advectie een verwaarloosbare rol speelde, wat is dan de gemiddelde diabatische opwarming op het 850hPa niveau tussen 12:00UTC en 15:00UTC?

3. Schat voor dezelfde situatie als onder b), maar nu met de aanname dat alleen de horizontale advectie verwaarloosd kan worden, de gemiddelde verticale temperatuuradvectie en de diabatische opwarming op 850hPa tussen 12:00UCT en 15:00UCT. Je mag hier aannemen dat het verticale temperatuur-verval 6°C per km is, de oppervlakte temperatuur 20°C is en de verticale snelheid op 850hPa 5*10^-3 m/s is.

2012-2013

mondeling:

- citaat uit paper (die je niet moest lezen): iets over dat wolkendruppels van vervuilde lucht kleiner waren en er een hogere supersaturatie is. En dit moest je linken met wat we in de cursus zagen

- koude advectie bij vorming anticyclonen uitleggen

- paper: effect neerslag in tropen

- Van welke verdeling van wolkenwater gaat het COSMO model uit? Is dit een realistische aanname? Staaf je antwoord op basis van de theorie.

oefeningen:

- courantgetal bij voorwaarts schema is -1,2 en 3 => duidt op een grid aan waar het de informatie uit haalt.

- COSMO: je had qr gegeven op bepaald tijdstip (=1.5kg/kg) en moest de fractie zoeken die in het volgende tijdstip veranderd is (overgegaan is naar de laag eronder). hoogte (500m) gridcel en lengte gridcel(3000m) had je ook gegeven.

Wat gebeurt er met fractie qr als de gridcel kleiner wordt (daalt of stijgt deze waarde?)

- lapse rate (6°/km) en snelheid daling (-1m/s) gegeven en dan temperatuurgradient (of zoiets) berekenen

- Berekenen op basis van de gegevens (snelheid, hoogte boven wolkenbasis, druppeldiameter op 2 hoogtes en updraft velocity) de coalition efficiency

2011-2012

Theorie (mondeling):

1. Wat is "saturation adjustment" in het COSMO model (leg in je eigen woorden uit)? Breng dit in verband met Köhler curves.

2. Vraag over paper.

Oefeningen (schriftelijk):

1. temperatuurstendens berekenen in subsiderende lucht (w was gegeven). De lapse rate was ook gegeven.

2. collision efficiency berekenen van een druppel dat van de wolkenbasis tot 500 meter boven de wolkenbasis gebracht wordt in een updraft (w gegeven). Verandering van straal van de druppel en LWC zijn ook gegeven.

3. leapfrog scheme herschrijven zodat je T(x,j) kan berekenen in functie van T van vorige tijdstippen en de windsnelheid v.

1. hoe is de verdeling van wolkendruppels aangenomen in cosmomodel (monodisperse is antwoord). Is dit een goede aanname als je vergelijkt met realiteit. Leg uit.

2. Paper vraag: SAM toepassen op Andes

3. oefeningen over conservation of heat, en nog twee die ik vergeten ben.

1. Vraag over paper: over onderdrukken van regen door antropogene aerosolen: waarom gebeurt dit (verklaar aan de hand van theorie), waar komt het voor en observeren wetenschappers het ook echt (zo ja, hoe).

2. Iets over op welke temperatuur de depositie van ijskristallen het grootst is.

3. dan nog 4 oefeningen die makkelijk op te lossen waren als je de take homes gemaakt had

2010-2011

Mondeling:

* Geef de formule die het onstabiel punt beschrijft bij homogene nucleatie (nr 7 . Van welke atmosferische condities hangt de straal allemaal af?

* Hoe wordt in een atmosferich model de druk bepaald? Geef formules (33 en volgende) + wat is er fundamenteel verschillend met de berekening van de geopotentiaal?

Oefeningen:

a) De geostrofe wind boven Brussel (50.8°N) op 900hPa waait van noord naar zuid met een snelheid van 20m/s. De temperatuur neemt toe van oost naar west met 1K over een afstand van 25km. Bereken de geostrofe wind op 800hPa en geef hierbij ook de windrichting aan.

b) Uit een weerkaart kan afgeleid worden dat op het 580hPa niveau de temperatuur tussen 12:00UTC en 15:00 met 3K toeneemt. Wanneer je aanneemt dat de advectie en adiabatische compressie een verwaarloosbare rol speelde, wat is dan de gemiddelde diabatische opwarming op het 580hPa niveau tussen 12:00 en 15:00?

c) Schat voor dezelfde situatie als onder b), maar nu met de aannaame dat alleen de horizontale advectie verwaarlossd kan worden, de gemiddelde diabatische opwarming po 850hPa tussen 12:00 en 15:00. Je mar hier aannemen dat heet verticale temperatuursverval 6°C/km, de opppervlatketemperatuur 20°C en de verticale snelheid op 580hPa 5E-3 m/s is.

d) Een collector drop met een straal van 30 microm vangt een iets kleinere druppel met straal van 20 microm. Zal de collectie efficiëntie hetzelfde blijven, toenemen of afnemen wanneer de druppel groeit? Leg uit waarom.

2008-2009

1) In 1 cm³ lucht zitten 100 NaCl-aerosolen: de helft 10^-18 m, de helft 10^-19m groot. Wat gebeurt er wanneer de RH verhoogd wordt van 80% naar 100,2%? En wanneer deze daarna terug naar 80% daalt?

2) Waarvoor dient het Courant-getal? Uit welke cellen haalt in een voorwaarts schema de te berekenen cel zijn waarde wanneeer het Courant-getal 0,1 en 2 is? (prentje wel gegeven)

3) weet ik niet meer

4) Oefening die net hetzelfde was als een home assignment, maar met andere getallen. Het was de home assignment over de baan van een wolkendruppel in een wolk (eerst omhoog door updraft, dan neerwaarts door val)

5) Gegeven een kaartje met de hydrostatische hoogtelijnen van 1000 hPa. Aan de westelijke kant is het 20°C kouder dan aan de ooselijke zijkant.

Gevraagd:

-Bereken de dikte van de luchtlaag tussen het 1000 en het 800 hPa-niveau. wel gegeven: de gemiddelde temperatuur van deze laag. Schets de 800hPa hydrostatische hoogtelijnenkaart op de kaart

-Is er warme of koude convectie?

2007 – 2008

• Bespreek welke papers handelden over het beter weergeven van wolken en processen. Zeg indien relevant over welke regio's en soorten wolken het gaat. Welke manier vindt gij het beste en waarom?

• waarom is het belangrijk om convectieve parametrisatie in een model te brengen? Hoe werkt deze parmetrisatie? Hoe wordt entrainment, detrainment en compensating subsidence weergegeven?

• Een vraag over de vorming van wolkendruppels:
  
  1. Een bevochtigbare maar niet oplosbare aerosol met straal Raer stijgt tot een bepaalde hoogte in een wolk en daalt daarna. Leid een formule af voor de berekening van de minimale supersaturatie die nodig is voor de vorming van wolkendruppels.
  
  2. idem maar dan voor een oplosbare aerosol. Waarom en hoe verandert de waarde voor de supersaturatie?
  
  3. Je moet de straal schatten bij een gegeven supersaturatie voor twee oplosbare aerosolen (dezelfde stof maar verschillend gewicht) door dit af te lezen van de Köhlercurves. De zwaarste is 'activated'. Je moet dus weten te zeggen dat deze geactiveerd is en tot de vorming van wolkendruppels en verder zal leiden.

• VRAAG 1: veel modellen parameterizeren convectieve processen.
  a. Waarom is een dergelijk parameterizatieschema aanwezig in modellen?
  b. Leg mbv een figuur uit hoe een dergelijk parameterisatieschema functioneert, inclusief de rol van subsidentie, entrainment en detrainment.
  c. Fig 1 toont een thermodynamisch diagram met twee geïdealiseerde atmosfeerprofielen (figuur van een Skew T diagram ofzo, niet het stuve diagram dat we gewoon zijn). De daaronder staande figuur toont twee geïdealiseerde profielen van de massaflux. Welke lijnen horen bij welke geïdealiseerde profielen? Leg uit. (dat is natuurlijk wel moeilijk uit te typen)
  
  VRAAG 2:
  a. Een bevochtigbaar onoplosbaar aerosol met een straal r zweeft in de lucht. Leid de vergelijking af voor de minimale oververzadiging Smin die nodig is om het aerosol te laten groeien (tot een wolkendruppel). Je mag de vergelijkingen die we in de les gezien hebben afgeleid als basis gebruiken.
  b. Beschouw nu een identiek aerosol als onder a., maar nu wel oplosbaar in water. Waarom verandert de minimale oververzadiging Smin, die nodig is om het aerosol te laten groeien?
  c. Neem aan dat de oververzadiging van de omgevingslucht 0.3% is. Schat de straal van de druppel die zich zal vormen op een ammoniumsulfaat (NH4)2SO4 deeltje van 10^-19 kg. En op een ammoniumsulfaat (NH4)2SO4 deeltje dat tien maal zo zwaar is?
  
  VRAAG3: In een aantal wetenschappelijke artikelen, die we hebben behandeld, werd gepoogd om de representatie van wolken en neerslag in atmosfeermodellen te verbeteren.
  a. Maak een opsomming van de artikelen waarin dit werd beschreven.
  b. Beschrijf de pogingen die werden gedaan om de representatie van wolken en neerslag te verbeteren. Indien relevant, beschrijf dan per paper de regio en/of de specifieke type wolken of neerslagsystemen die (positief) werden beïnvloed door de modificaties die in de papers werden beschreven.
  c. Welke van deze pogingen was volgens jou het meest succesvol of veelbelovend?
  
  VRAAG 4:
  a. Voor een bepaalde situatieis de meridionale (v-) component van de wind gelijk aan nul. Geef een vergelijking voor de zonale (u-) component van de wind en beschrijf waar de verschillende termen naar refereren.
  b. uit een weerkaart kan afgeleid worden dat op het 850hPa niveau de temperatuur tussen 12:00UTC en 15:00UTC met 3K toeneemt. Wanneer je aanneemt dat de advectie een verwaarloosbare rol speelde, wat is dan de gemiddelde diabatische opwarming op het 850hPa niveau tussen 12:00UTC en 15:00UTC?
  c. Schat voor dezelfde situatie als onder b., maar nu met de aanname dat alleen horizontale advectie verwaarloosd kan worden, de gemiddelde verticale temperatuurs-advectie en de diabatische opwarming op 850hPa tussen 12:00UTC en 15:00UTC. Je mag hier aannemen dat het verticale temperatuursverval 6°C/km, de oppervlaktetemperatuur 20°C en de verticale snelheid op 850hPa 5*10^-3 m/s is.

VOORBEELDVRAGEN

Question 1: Many models use a parametrisation for convective processes.

a. Why is such a parametrisation scheme included in most models?

b. Explain briefly how such a parametrisation scheme works, including a schematic figure. Explain the role

of subsidence, entrainment and detrainment.

c. In Fig 1 two idealized atmospheric profiles are plotted in a thermodynamic diagram. The figure below that

shows two idealized profiles for the mass flux. Which line belongs to which idealized profile? Explain.

Question 2:

a. A wettable unsoluble aerosol particle with a radius of raer is present in the air. Derive an equation for the

minimum amount of supersaturation of the ambient air (Smin) needed for the unsoluble particle to be able

to grow (to a cloud droplet). You can use the equations that we have derived during the lecture as basis.

b. Now consider an aerosol particle identical to the one under a), but which IS soluble in water. Why does

the minimum amount of supersaturation of the ambient air (Smin) needed for the unsoluble particle to be

able to grow change?

c. Assume that the supersaturation of the ambient air is 0.3%. Make an estimate of the radius of the droplet

that will form on an ammonium sulfate (NH4)2SO4 particle of 10-19 kg. And for an ammonium sulfate

(NH4)2SO4 particle which is ten times heavier?

Question 3: In several scientific papers, that we have discussed, an attempt has been made to improve the

representation of cloud and/or precipitation in atmospheric models.

a. List the papers where such an attempt has been described.

b. What were the specific efforts that they made to improve the representation of cloud and/or precipitation.

If relevant, describe per paper the regions and/or the specific type of cloud/precipitation systems that

would be positively affected by the modification described.

c. Which of these attempts are, according to your opinion, most successful or promising?

Question 4 (answers of this question need to be handed in at the end of the exam):

a. For a given situation, the meridional (v-) component of the wind is zero. Write, from the horizontal

equation of motion, an expression for the zonal (u-)component of the wind, and describe what the different

terms refer to.

b. From a weather card, it can be read that at 850 hPa the temperature increases between 12:00UTC and

15:00UTC by 3K. If you assume that advection played a minor role, what is the average diabatic heating

rate between 12:00UTC and 15:00UTC at the 850hPa level?

c. For the same situation as under b), but now assuming that only the horizontal advection can be neglected,

estimate the average vertical temperature advection and diabatic heating rate at the 850hPa level between

12:00UTC and 15:00UTC. You can assume a vertical lapse rate of 6°C/km, a surface temperature of 20°C

and a vertical velocity at 850hPa of 5·10-3 m/s.