Effects of atmospheric conditions on the formation of winter precipitation types

Winter storms produce major problems for society and their precipitation is often the key factor responsible. The objective of this thesis is to better understand the formation of this precipitation. A multi-moment bulk microphysics scheme coupled with a cloud model has been developed to address this issue. It predicts the mass mixing ratio and total number concentration for many hydrometeor categories including rain, snow, freezing rain, wet snow, slush and ice pellets. Semi-melted particles have been incorporated into the bulk scheme since they are commonly formed at temperatures near 0ºC and they influence the formation of other types of precipitation within the atmosphere and reaching the surface. Considering a vertical profile in the atmosphere, the precipitation type characteristics during the 1998 Ice Storm in the Montreal area have been compared with aircraft measurements. Many of the observed characteristics were reproduced by the model. Also, sensitivity tests on the precipitation types formed during the Ice Storm were performed. The results show that small variations (±0.5ºC) in the temperature profiles as well as the precipitation rate can have major impacts on the types of precipitation formed at the surface in such a catastrophic event. Using a two-dimensional cloud model, the effects of the background wind on the precipitation type evolution within the atmosphere and at the surface have likewise been investigated. These results were compared with observations taken during a field project held at the Centre for Atmospheric Research Experiments (CARE) in the Toronto area during the winter 2006-2007. The results reproduced many of the precipitation types observed. The background wind field and snowfield aloft influence the type and the amount of precipitation reaching the surface. Overall, the environmental factors such as the temperature, the degree of saturation and the background wind critically affect the type of winter precipitation formed.Les tempêtes hivernales associées à la production de différents types de précipitation peuvent s’accompagner d’inconvénients majeurs pour nos sociétés. L’objectif de cette étude est d’approfondir les connaissances acquises sur la formation des précipitations d’hiver (pluie verglaçante, neige, neige fondante, grésil, neige fondante gelée). Un modèle de nuage relié à un schéma microphysique à plusieurs moments a été développé afin de mener cette recherche. Les différents types de précipitations atteignant la surface sont influencés, entre autre, au cours de leur formation par la production de particules formées d’un mélange d’eau et de glace. Par conséquent, ces dernières ont été incorporées dans le schéma microphysique en basant directement leurs prédictions sur les conditions atmosphériques. Les caractéristiques de différents types de précipitation formés durant la tempête de verglas de 1998 dans la région de Montréal ont notamment été étudiées en utilisant le modèle de nuage à une dimension. Un profil vertical de température obtenu par avion a tout d’abord été utilisé pour initialiser le modèle de nuage. Par la suite, les résultats de cette simulation ont été comparés avec les précipitations réelles observées au cours du même vol. Par ailleurs, des tests de sensibilité ont été réalisés pour étudier l’influence d’une petite variation de température sur la formation de différents types de précipitations. Les résultats démontrent qu’une petite variation de la température du profil vertical (±0.5ºC) ainsi que le taux de précipitation ont un impact majeur sur le type de précipitation produit durant une telle catastrophe naturelle. De plus, les effets du vent sur les types de précipitations formés durant une tempête d’hiver ont été étudiés en utilisant un modèle de nuage à deux dimensions. Les résultats ont été comparés avec des observations recueillies