Houze Robert A., Jr. Cloud Dynamics
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Cloud Dynamics
Photograph taken by astronauts aboard the Apollo Saturn spacecraft during April 1970.
The picture is centered
over
the north Pacific Ocean. The Kamchatka Peninsula of Siberia
can be seen
just
northwest
ofa
large oceanic extratropical cyclone. The
sun's
reflection off
the ocean surface is seen to the south of the storm. A belt of mesoscale convective cloud
systems extends
east-west
near the equator.
This is Volume 53 in the
INTERNATIONAL GEOPHYSICS SERIES
A series of monographs and textbooks
Edited by RENATA DMOWSKA and JAMES R. HOLTON
A complete list of the books in this series appears at the end of this volume.
Cloud Dynamics
Robert
A.
Houze, Jr.
DEPARTMENT
OF
ATMOSPHERIC
SCIENCES
UNIVERSITY
OF
WASHINGTON
SEATTLE,
WASHINGTON
ACADEMIC PRESS, INC.
A Division of Harcourt Brace & Company
San Diego New York Boston
London Sydney Tokyo Toronto
Front cover photograph: A cumulonimbus cloud near Waterville, Kansas, exhibits a form called
mamma,
which are the bulbous protuberances hanging from the lower side of the cloud. These fea-
tures add texture to the surface of the cloud, and they can produce spectacular displays, especially
when the sun is low in the sky. Despite their common occurrence, beauty, and a wide variety of
speculations regarding their origin, mamma remain somewhat mysterious. Mamma can often be seen
on the lower sides of cirrus, altocumulus, altostratus, and stratocumulus clouds, as well as cumulo-
nimbus. They have also been observed on the base of volcanic ash clouds (see cover of
National
Geographic,
January, 1981). Photo taken by David K. Hoadley, © 1971.
This book is printed on acid-free paper.
e
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All Rights Reserved.
No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any
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1250 Sixth Avenue, San Diego, California 92101-4311
United Kingdom Edition published by
Academic Press Limited
24-28 Oval Road, London NWI 7DX
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data
Cloud Dynamics / Robert
A. Houze, Jr.
p. em. - - (International geophysics: v 53)
ISBN 0-12-356881-1 (Paper edition)
I. Clouds - - Dynamics. I. Title.
II. Series.
QC92I.6D95G68 1993
55I.57'6-dc20
PRINTED IN THE UNITED STATES OF AMERICA
93 94 95 96 97 98 EB 9 8 7 6 5 4 3 2
92-33769
ClP
Contents
Preface
Introduction
List of Symbols
Part I Fundamentals
Chapter 1 Identification of Clouds
xi
xiii
xv
1.1 Atmospheric Structure and Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Cloud Types Identified Visually . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Genera, Species, and Etages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Low Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Middle Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.4 High Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.5 Orographic Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Cloud Systems Identified by Satellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1 Mesoscale Convective Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Hurricanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.3 Extratropical Cyclones , . .. .. .. . .. .. . .. . .. . 24
Chapter 2 Atmospheric Dynamics
2.1 The Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1 Equation of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Equation of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.3 Thermodynamic Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.1.4 Mass Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.5 Water Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.6 The Full Set of Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2 Balanced Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1 Quasi-Geostrophic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2 Semigeostrophic Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Gradient-Wind Balance . . .. . . .. . . .. . .. . .. . .. . .. .. . .. .. . . . .. .. ..
....
.. .. 33
2.2.4 Hydrostatic Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.5 Thermal Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.6 Cyclostrophic Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Anelastic and Boussinesq Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4 Vorticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Potential Vorticity , , . 39
v
Cloud Dynamics
vi Contents
2.6 Perturbation Form of the Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.1 Equation of State and Continuity Equation
..
41
2.6.2 Thermodynamic and Water-Continuity Equations . . . 41
2.6.3 Equation of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.4 Eddy Kinetic Energy Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.7 Oscillations and Waves
.. ..
44
2.7.1 Buoyancy Oscillations 44
2.7.2 Gravity Waves
....
. . . .. . . . .. . .. . .. . . .. . . .. . 45
2.7.3 Inertial Oscillations
..
. 47
2.7.4 Inertio-Gravity Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8 Adjustment to Geostrophic and Gradient Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.9 Instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9.1 Buoyant, Inertial, and Symmetric Instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.9.2 Kelvin-Helmholtz Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.9.3 Rayleigh-Benard Instability . .. .
...
.
....
.. . ..
..
... ...
.. . .. .
...
.
...
..
..
.. 61
2.10 Representation of Eddy Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.10.1 K-Theory 65
2.10.2 Higher-Order Closure , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.10.3 Large-Eddy Simulation 66
2.11 The Planetary Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.11.1 The Ekman Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.11.2 Boundary-Layer Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.11.3 The Surface Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Chapter
3 Cloud Microphysics
3.1 Microphysics of Warm Clouds 69
3.1.1 Nucleation of Drops 69
3.1.2 Condensation and Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.1.3 Fall Speeds of Drops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.4 Coalescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.1.5 Breakup of Drops
..
. . 80
3.2 Microphysics of Cold Clouds
..
. . 81
3.2.1 Homogeneous Nucleation
ofIce
Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.2 Heterogeneous Nucleation of Ice Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.3 Deposition and Sublimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.2.4 Aggregation and Riming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2.5 Hail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.2.6 Ice Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2.7 Fall Speeds of Ice Particles . . . . .. . . 90
3.2.8 Melting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3 Types of Microphysical Processes and Categories of Water Substance in Clouds 94
3.4 Water-Continuity Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.5 Explicit Water-Continuity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.5.1 General . . . . . . .. . .. 97
3.5.2 Explicit Modeling of Warm Clouds . . 98
3.5.3 Explicit Modeling of Cold Clouds .. . .. . .. ..
101
3.6 Bulk Water-Continuity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
3.6.1 Bulk Modeling of Warm Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6.2 Bulk Modeling of Cold Clouds 105
Contents vii
Chapter 4
Radar
Meteorology
4.1 General Characteristics of Meteorological Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2 Reflectivity Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.1 Obtaining Reflectivity from Returned Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.2.2 Relating Reflectivity to Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.3 Estimating Areal Precipitation from Radar Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3 Polarization Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4 Doppler Velocity Measurements . . .. . .. 120
4.4.1 Radial Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.2 Velocity and Range Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.4.3 Vertical Incidence Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
. . . . . . . . . . . . 123
4.4.4 Range-Height Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.5 Velocity-Azimuth Display Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.4.6 Multiple-Doppler Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.4.7 Retrieval of Thermodynamic and Microphysical Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Part II Phenomena
Chapter 5 Shallow-Layer Clouds
5.1 Fog and Stratus in a Boundary Layer Cooled from Below . .
..
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.1.2 Turbulent Mixing in Fog 140
5.1.3 Radiation Fog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.1.4 Arctic Stratus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2 Stratus, Stratocumulus, and Small Cumulus in a Boundary Layer Heated from
Below 152
5.2.1 General Considerations . .. .. .. 152
5.2.2 Cloud-Topped Mixed Layer 155
5.2.3 Mesoscale Structure of Mixed-Layer Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.3 Cirriform Clouds
..
. . . ..
..
. .. . . . . .. . .. .. .. 174
5.3.1 General Considerations 174
5.3.2 Cirrus Uncinus . .. .. .. .. .. 177
5.3.3 lee-Cloud Outflow from Cumulonimbus . . .. .. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. 179
5.3.4 Cirriform Cloud in a Thin
Layer
Apart from a Generating Source . . . . . . . . . . . 185
5.4 Altostratus and Altocumulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.4.1 Altostratus and Altocumulus Produced as Remnants of Other Clouds 189
5.4.2 Altocumulus as High-Based Convective Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
..
. 189
5.4.3 Altostratus and Altocumulus as Shallow-Layer Clouds Aloft . . . . . . . . . . . . . . . .
191
5.4.4 Ice Particle Generation by Altocumulus Elements .
..... .....
.. .. .. .. .. .. .. 193
5.4.5 Interaction of Altocumulus and
Lower
Cloud Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Chapter 6 Nimbostratus
6.1 Stratiform Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.1.1 Definition and Distinction from Convective Precipitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.1.2 Radar-Echo Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
viii
Contents
6.1.3 Microphysical Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20I
6.1.4 Role of Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.2 Nimbostratus with Shallow Embedded Convection Aloft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.3 Nimbostratus Associated with Deep Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
211
6.4 Radiation and Turbulent Mixing in Nimbostratus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Chapter 7 Cumulus Dynamics
7.1 Buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.2 Pressure Perturbation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.3 Entrainment
..
.
....
.
.....
.
...
.
...
. .
... ...
.
... ... ... ... ...
. .. . .. .
... ...
.
...
.
..
226
7.3.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.3.2 Continuous, Homogeneous Entrainment
...
...
.. .
... ...
. .. . .. . .. .
...
.
...
. . 227
7.3.3 Discontinuous, Inhomogeneous Entrainment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . 239
7.4 Vorticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.4.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.4.2 Horizontal Vorticity .
...
. .. . . . .. .
...
. .
..
.. . . .. . .. .
... ...
.. . .. . . . .. 249
7.4.3 Vertical Vorticity
..
. . .. .
...
. . . .. . .. .
...
..
. . .. . . .. .. . . .. .
...
.. . . . . 251
7.5 Modeling of Convective Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.5.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
7.5.2 One-Dimensional Time-Dependent Model .. . . .. . .
..
.. . .. . .. . . . . . . . . . . . . 254
7.5.3 Two- and Three-Dimensional Models
... ...
.
... ...
. ..
... ... ...
.
...
.
...
262
Chapter 8 Thunderstorms
8.1 Small Cumulonimbus Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8.2 Multicell Thunderstorms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.3 Supercell Thunderstorms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.4 Environmental Conditions Favoring Different Types of Thunderstorms . . . . . . . . . . . . 283
8.5 Supercell Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.5.1 Storm Splitting and Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
8.5.2 Directional Shear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.6 Transition of the Supercell to the Tornadic Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
291
8.7 Nonsupercell Tornadoes and Waterspouts
..
.
...
.. . . ..
... ... ... ... ... ... ...
....
295
8.8 The Tornado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
8.8.1 Observed Structure and Life Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
8.8.2 Tornado Vortex Dynamics . . . . . . .. . . .. . .. . . . . . .. . .. . .. .. . .. . .. . .. . . .. . . 303
8.9 Gust Fronts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
8.10 Downbursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.10.1 Definitions and Descriptive Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.10.2 Effects of Microbursts on Aircraft 321
8.10.3 Dynamics of Microbursts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
8.11 Lines of Thunderstorms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Chapter 9 Mesoscale Convective Systems
9.1 General Characteristics of the Cloud and Precipitation Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
9.1.1 Satellite Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
9.1.2 Precipitation Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
9.1.3 Life Cycle of a Precipitation Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346