Eisbersttigte Regionen und Zirren Beobachtungen und Modellierung

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Eisübersättigte Regionen und Zirren-
Beobachtungen und Modellierung -
Peter Spichtinger Institut Atmosphäre und
Klima ETH Zürich, Schweiz
2
Überblick

• Einleitung und Motivation
• Beziehung eisübersättigte Regionen (ISSRs) und
  Zirren
• ISSRs in der UT/LS Region
• globale Beobachtungen
• Fallstudien
• Modellierung von ISSRs und Zirren
• Modellbeschreibung
• Sensitivitätsstudien
• Weitere Anwendungen
• Konzept für gekoppelte Simulationen
• Zusammenfassung und Ausblick

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Einleitung und Motivation

• Messungen von Eisübersättigung existieren seit
  mindestens 1945
• (erste Beobachtungen durch Wegener um 1912
  dokumentiert)
• Homogene Nukleation von Lösungströpfchen benötigt
  hohe Übersättigungen (Koop et al., 2000)
• Eisübersättigte Regionen (ISSRs) sind potentielle
  Bildungsregionen für Zirren und Kondensstreifen
• Übersättigungen sind zur Zeit (üblicherweise)
  nicht in numerischen Wettervorhersagemodellen
  oder Klimamodellen repräsentiert
• Zur Zeit nur wenig über Bildung und Entstehung
  von ISSRs und Zirren bekannt - Notwendigkeit von
• Messungen in Zirren
• Modellierung von ISSRs/Zirren

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Verhältnis ISSRs - Zirren

• Die Beziehung zwischen Zirren und übersättigten
  Umgebung ist wesentlich schwächer als bei
  Wasserwolken
• Eiskristalle bilden sich erst bei hohen
  Übersättigungen
• Einmal gebildet sind Zirren nicht besonders stark
  durch den Gleichgewichtszustand
  (100RHi)beeinflusst
• In der UT/LS Region muss es weit ausgedehnte
  wolkenfreie Luftmassen im Status der
  Übersättigung geben
• Zirren sind in übersättigte Luftmassen
  eingebettet
• Der Übergang von wolkenfreien Gebieten zu Zirren
  ist stetig
• clear air - subvisible cirrus (SVC) -
  thin cirrus - thick cirrus
• ? lt ?vis lt
  0.03 0.03 lt ?vis lt 0.3 ?vis gt
  0.3

5
Verhältnis ISSRs - Zirren Probleme

• Mittlere Dicke von übersättigten Schichten ist
  500 m,
• die mittlere vertikale Ausdehnung von Zirren ist
  aber gt 1 km ...

lthgt 560 m ?h 610 m
Spichtinger et al., 2003a
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Verhältnis ISSRs - Zirren Probleme
Mittlere Dicke von übersättigten Schichten ist
500 m, die mittlere vertikale Ausdehnung von
Zirren ist aber gt 1 km ...
lthgt 560 m ?h 610 m
Spichtinger et al., 2003a
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Verhältnis ISSRs - Zirren Probleme

• Die exponentielle Verteilung der relativen
  Feuchte im übersättigtem Bereich impliziert eine
  relativ geringe Wahrscheinlichkeit (lt10) um hohe
  Übersättigungen zu erreichen (z.B. die Schwellen
  für die hom. Nukleation)
• wie kann man dann eine mittlere Zirrusbedeckung
  von ca. 30 erreichen?

Exponentielle Verteilung Fast alle
Feuchteverteilungen aus Messungen (in situ,
Satellit etc.) zeigen dieses Verhalten
MLS data, 215 hPa
Nach Spichtinger et al., 2002
8
Beobachtungen von ISSRs in der UT/LS Region

• Globale Beobachtungen Wenig brauchbare
  Datensätze
• Satelliten
• Microwave limb sounder (MLS, auf Satellit UARS)
• 1991-1997 / 2 Drucklevel (147/215 hPa) / neue
  Generation auf Aura/EOS
• TIROS Operational Vertical Sounder (TOVS, auf
  NOAA Satelliten) 1978 - jetzt, 200 - 500hPa
• Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) auf Aqua/EOS
  seit 2002
• In situ
• MOZAIC 1994 - jetzt / Langstreckenflüge
• Radiosonden verschiedene Korrekturalgorithmen
  (Leiterer et al., 2005,
• Wang et al., 2002, Miloshevich et al.,
  2001, etc. )

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Spichtinger et al, 2003b
10
Spichtinger et al, 2003b
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Fallstudien zur Bildung und Entwicklung von
Übersättigungen

• Kombination von
• korrigierte Radiosonden (RS 80A, Met.
  Obs. Lindenberg, Germany) und
• operationelle meteorologische Analysen
  (ECMWF)
• Cloud clearing durch METEOSAT IR Bilder
• Trajektorienrechnungen mit einem Lagrangeschen
  Modell (LAGRANTO, H. Wernli, UniversitätMainz)
• Mesoskalige Simulationen mit MM5 (Andreas
  Dörnbrack, DLR)

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Eisübersättigung in der Umgebung eines warm
conveyor belt
METEOSAT IR
29 November 2000, 0600 UTC
Spichtinger et al., 2005a, ACP
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Synoptische Situation

• potential vorticity (in PVU, Farbe) und
  horizontaler Wind auf der 320 K Isentrope

Oberflächentemperatur (in K, Farbe) und
Bodendruck (hPa)
27 Nov, 18 UTC 28 Nov, 18 UTC 29 Nov, 06
UTC
14
Moist ascending airstream - warm conveyor belt
Druck in hPa
Vorwärtstrajektorien (48 h), Start am/um
26 Nov, 18 UTC 27 Nov, 06 UTC
27 Nov, 18 UTC
15
(No Transcript)
16
(No Transcript)
17
(No Transcript)
18
Neue Sichtweise der ISSRs - systemanalytische
Betrachtungsweise -

• ISSRs sind grosse dynamische Regionen
  übersättigter Luft
• An manchen Stellen sind Zirren eingebettet
• An anderen Stellen ist die übersättigte Luft
  (völlig) wolkenfrei

Messung während INCA Kampagne zur
Veranschaulichung
System ISSR/Ci
19
Zusammenfassung Fall 1

• Sehr kalte Übersättigung -70C lt T lt -60C
• Wolkenfreie Übersättigung (oder höchsten sehr
  dünner Zirrus)
• Bildung der ISSR durch Warm conveyor belt
  beeinflusst
• Bildung der Übersättigung (Luftpakete gemessen
  durch Radiosonde) durch langsames synoptisches
  Aufgleiten (adiabatische Abkühlung)
• Lebenszyklus ISSR bildet sich und bleibt
  bestehen OHNE dass sich ein (dicker) Zirrus
  bildet Übersättigung in Luftpaketen (gemessen
  durch die RS) bleibt ca. 24 (6 2.5) h

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Eisübersättigung, entstanden durch mesoskalige
Wellen
METEOSAT IR 20 März 2000, 2330 UTC

21 März 2000, 0000 UTC
Spichtinger et al, 2005b, ACP
21

• MM5 simulation 21 März, 0100 UTC
  horizontaler/vertikaler Wind auf der
• 318 K Isentrope

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Lindenberg
Überlagerung
23
Trajektorien aus der MM5 Simulation (links)
Start beim nächsten Punkt zu Lindenberg um t0
Spezifische Feuchte in der vertikalen Säule
entlang der Trajektorie (rechts)
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Zusammenfassung von Fall 2

• Bildung der Eisübersättigung durch die
  Überlagerung zweier unterschiedlicher
  Schwerewellen
• Eigentliche Bildung durch adiabatisches
  Aufsteigen (Abkühlen)
• Innerhalb von ca. 2 Stunden bildet sich eine
  dicke Wolke (sichtbar in METEOSAT Bildern)
• Lebenszyklus System ISSR/Ci bildet sich und
  bleibt ca. 6 (6 2.5) h erhalten

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Modellierung von Zirren in einem
wolkenauflösenden Modell
Nicht-hydrostatisches anelastisches 3D Modell
EuLag (Smolarkiewicz and Margolin, 1997) Neue
Parametrisiserung für kalte Eiswolken (T lt
-35C) bulk Mikrophysik - Zwei-Momente-Schema,
d.h. prognostische Gleichungen für
Eiskristallanzahldichte (N) und Eiswassergehalt
(IWC) Neue Variable Wasserdampf (spezifische
Feuchte) Zwei verschieden gebildete Sorten Eis
(heterogen /homogen gebildet) Zwei verschiedene
Aerosole (für het. / hom. Nukleation) ?
Expliziter Einfluss der Aerosole auf
Nukleation parametrisierte Prozesse heterogene
/ homogene Nukleation Depositionswachstum /
Verdampfung von Eiskristallen Sedimentation
von Eiskristallen
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Nukleation
Homogene Nukleation Beim Überschreiten eines
Schwellwertes RHihom(T) bilden sich Eiskristalle
- die Raten sind nach Koop et al., (2000)
parametrisiert die Aerosolkonzentration (Aerosol
1 H2SO4) kann als begrenzender Faktor wirken.
Heterogene Nukleation Beim Überschreiten eines
Schwellwertes RHihet werden alle Eisnuklei
(repräsentiert durch das Hintergrundaerosol 2) in
Eiskristalle umgewandelt) Der Schwellwert kann
variiert werden und repräsentiert die
verschiedenen chemischen Eigenschaften des
Aerosols)
RHihet
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Depositionswachstum/Verdampfung und Sedimentation
Deposition/Verdampfung Für einen einzelnen
Kristall wird das Wachstum mit dem Ansatz nach
Koenig, 1971 parametrisiert Die Koeffizienten
wurden neu bestimmt. Die Wachstumsrate für den
Eiswassergehalt wird via einer Integration über
die Massenverteilung berechnet. Hier wird eine
Lognormal-Verteilung benutzt ?m fest aber
variabel (1.5 ?m 3.4) Für kleine Kristalle
werden Korrekturen in der Parametrisierung
benutzt.
Sedimentation Empirische Beziehung zwischen
Masse und Terminal velocity (Heymsfield
Iaquinta, 2000) Ansatz über Flussdichten Darau
s erhält man die Geschwindigkeiten für die beiden
Momente (abhängig von f(m)) (?k bezeichnet
das k-te Moment v0, m0 sind Einheiten) Effekt
Grosse Kristalle fallen schneller als kleinere !
28
Validierung des Modells

• Zur Validierung des Modells benutzen wir den Fall
  eines arktischen Cirrostratus (Lin et al., 2005
  Kärcher, 2005) entstanden durch langsame
  Aufwärtsbewegung ( 5 cm/s)
• Vertikalprofile (T,p,RHi) wie in Lin et al.,
  2005.
• Simulation Simulationsdauer 0 t 7 h, dt 1
  s
• 1D Simulation, 3 z 12 km, dz 3 / 10 / 50
  m
• nur homogene Nukleation
• Ergebnis
• Das Modell kann die Struktur des Cirrostratus
  wiedergeben (vgl. detaillierte Modelle von Lin
  oder Kärcher).
• Die quantitativen Werte hängen stark von der
  vertikalen Auflösung ab, aber die
  Grössenordnungen von N und IWC werden richtig
  wiedergegeben
• Das ist mehr, als man von einem bulk Modell
  erwarten kann!!
• (Spichtinger et al., in prep.)

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Zeit (min)
Supersaturation inside the cloud
Höhe (m)
Homogeneous nucleation ice water content (mg/m3)
Time (min)
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Sensitivitätsstudien homogene vs. heterogene
Nukleation

• Ergebnisse vom DFG Projekt Dünner Zirrus
• Setup für idealisierte 2D Simulationen
• Model domain horizontale Auflösung dx 100 m,
  horizontal Ausdehnung 6.3 km
• vertikale Auflösung dz 50 m, vert.
  Ausdehnung 6 km, i.e. 6-12 km
• Zeitschritt dt 1s, Simulationsdauer
  6 h 21600 s
• Konstante vertikale Aufwärtsbewegung für
  kompletten Bereich (adiab. Kühlung)
• w 3 / 4.5 / 6 cm/s
• Änderung Anzahl ice nuclei ni 1 / 3 / 5 / 7 /
  10 / 30 / 50 L-1
• Änderung Schwellwert für heterogene Nukleation
  RHihet 110 / 130 / 140
• Zusätzliche Temperaturfluktuationen (Gauss) ?T
  0.1/0.05/0.01/0.005/0.001 K

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Homogeneous nucleation ice crystal number density
(L-1)
Altitude (m)
Heterogeneous nucleation ice crystal number
density (L-1)
Ni 1L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
32
Altitude (m)
Ni 3L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
33
Altitude (m)
Ni 5L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
34
Altitude (m)
Ni 7L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
35
Altitude (m)
Ni 10L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
36
Altitude (m)
Ni 30L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
37
Altitude (m)
Ni 50L-1, w 4.5 cm/s, RHihet 130
Time (min)
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Teilresultate

• Falls einer der beiden Nukleationsmechanismen
  (heterogen/homogen) genügend Eiskristalle
  produzieren kann, dann wird die relative Feuchte
  effektiv abgebaut.
• Es existieren zwei verschieden Regime
• Wenig heterogene ice nuclei homogene Nukleation
  ist effektiv
• Viel heterogene ice nuclei heterogene Nukleation
  ist effektiv
• Der Bereich zwischen diesen Regimen ist sehr
  sensitiv (z.B. auf Anzahl der ice nuclei)
  Manchmal erreicht RHi in der Wolke eine Art
  Quasigleichgewicht (RHi gt 100)
• Grenzen zwischen den Bereichen hängen von drei
  verschiedenen Zeitskalen ab
• Wachstum - Sedimentation - Kühlung
• (Spichtinger and Gierens, in prep.)

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Weitere Anwendungen des Modells

• Modellierung von Zirren, entstanden durch
  mesoskalige Wellen
• Orographische Wellen (cirrus lenticularis, T-REX
  Feldexperiment in der Sierra Nevada, Frühjahr
  2006, Untersuchung von Rotorwolken)
• Wellen in der Atmosphäre (Film)
• Modellierung von Kondensstreifen
• Absinken des Wirbelpaars
• Ausbreitung von Kondensstreifen (contrail-cirrus)

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Einfache Simulation von Schwerewellen

• Setup
• horizontale Ausdehnung 0 lt x lt 102.3 km, dx100
  m, 1024 Gitterpunkte
• vertikale Ausdehnung 6000 lt z lt 12000 m,
  dz50 m, 121 Gitterpunkte
• Simulationszeit 0 lt t lt 30 min,
  dt0.5 s, 3600 Zeitschritte
• Untere Randbedingung Überlagerung von drei
  verschiedenen Wellen
• Konstanter Horizontalwind u0 mit Scherung
• ? Potentialströmung flow, Wellen in den oberen
  Druckleveln
• fast lineares Temperaturprofil (Clark-Farley)
• geschichtete Atmosphäre (Brunt Vaisala
  Frequenz N 0.0094 s-1)
• zusätzliche Gausssche Temperaturfluktuationen,
  ?T 0.1 K
• Vergleich mit Messungen während INCA Kampagne
  (nicht gezeigt)

41
Startzustand
12 km
potentielle Temperatur Eiskristallanzahldichte
het Eiskristallanzahldichte hom
6 km
42
12 km
6 km
43
Instabilitäten am Oberrand von Zirren

• In den oberen Schichten der Zirren werden kleine
  Instabilitäten erzeugt. Diese entstehen durch
  freiwerdende latente Wärme (durch
  Depositionswachstum der Eiskristalle), welche
  zusätzliche Aufwärtsbewegungen erzeugt.
• Die Instabilität wird nicht durch Wellenbrechen
• erzeugt (Potentialströmung).

44
000 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
Simulation of a contrail (descent of the vortex
pair)
45
015 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
46
030 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
47
045 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
48
060 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
49
075 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
50
090 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
51
105 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
52
120 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
53
135 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
54
150 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
55
165 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
56
180 s
Ice crystal number density Ice water
content vorticity
curtain contrail
57
Gekoppelte Simulationen

• Im Inneren des Modells
• in EuLag wird ein so genannte Umgebungszustand
  vorgeschrieben (Geschwindigkeit ve und
  potentielle Temperatur ?e) echte 3D Felder
• Annahme Dieser Zustand erfüllt die
  anelastischen Gleichungen
• Daher müssen nur Änderungen zu diesem Zustand
  berechnet werden

58
EuLag - Anelastic Equations (v)
(1)
(2)
(1)-(2)
59
EuLag - Anelastic Equations (v)
(1)
(2)
(1)-(2)
60
Gekoppelte Simulationen

• Im Inneren des Modells
• in EuLag wird ein so genannte Umgebungszustand
  vorgeschrieben (Geschwindigkeit ve und
  potentielle Temperatur ?e) echte 3D Felder
• Annahme Dieser Zustand erfüllt die
  anelastischen Gleichungen
• Daher müssen nur Änderungen zu diesem Zustand
  berechnet werden
• Der Umgebungszustand wird zeitunabhängig in der
  Basisversion von EuLag angenommen dve/dt 0,
  ??e/?t 0

61
EuLag - Anelastic Equations (v)
(1)
(2)
(1)-(2)
62
EuLag - Anelastic Equations (?)
63
Gekoppelte Simulationen

• Im Inneren des Modells
• in EuLag wird ein so genannte Umgebungszustand
  vorgeschrieben (Geschwindigkeit ve und
  potentielle Temperatur ?e) echte 3D Felder
• Annahme Dieser Zustand erfüllt die
  anelastischen Gleichungen
• Daher müssen nur Änderungen zu diesem Zustand
  berechnet werden
• Der Umgebungszustand wird zeitunabhängig in der
  Basisversion von EuLag angenommen dve/dt 0,
  ??e/?t 0
• Aber ... theoretisch ist es möglich einen
  zeitabhängigen Umgebungszustand zu wählen
• Ergebnis Man kann für jeden Zeitschritt die
  vollen 3D Felder für den
• Umgebungszustand vorschreiben, um
  kleinskalige
• Veränderungen zu studieren.

64
Anwendung dieser Technik

• Zwei Simulationen für dasselbe Gebiet
  (Mother-Daughter-simulations)
• Mother Simulation gross-skalige Bewegung, grobe
  Auflösung
• Daughter Simulation kleines Gebiet in der
  mother Region mit viel höherer Auflösung
  small scale variations
• (Dörnbrack et al., in prep.)

65
EuLag - Anelastic Equations
Mother Domain
66
EuLag - Anelastic Equations
Mother Domain
Daughter Domain
67
EuLag - Anelastic Equations
Mother Domain
Daughter Domain
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EuLag - Anelastic Equations
Mother Domain
Daughter Domain
69
EuLag - Anelastic Equations
Mother Domain
Daughter Domain
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Anwendung dieser Technik

• Zwei Simulationen für dasselbe Gebiet
  (Mother-Daughter-simulations)
• Mother Simulation gross-skalige Bewegung, grobe
  Auflösung
• Daughter Simulation kleines Gebiet in der
  mother Region mit viel höherer Auflösung
  small scale variations
• (Dörnbrack et al., in prep.)
• Daughter Simulation ohne mother Simulation
• die zeitabhängigen 3D Umgebungsvariablen werden
  von anderen Daten genommen, z.B.
• ECMWF Analysen
• output von anderen Modellsimulationen (ECHAM, LM,
  MM5 etc.)
• output von ECMWF Vorhersagen eventuell die
  Möglichkeit eines Vorhersagetools für small scale
  variations (Zirren, clear air turbulence etc.)

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Zusammenfassung und Ausblick

• Globalstatistiken von eisübersättigten Regionen
  (ISSRs)
• Fallstudien zur Entstehung und Entwicklung des
  Systems ISSR/Ci, dabei völlig unterschiedliche
  Lebenszyklen zu beobachten
• Neues Modell zu Simulation von eisübersättigten
  Regionen und Zirren entwickelt - dabei direkter
  Einfluss der Aerosole eingebaut
• Sensitivitätsstudien homogene vs. heterogene
  Nukleation
• Erste Simulationen von Zirren, entstanden durch
  mesoskalige Wellen
• Neues Konzept (gekoppelte Simulationen) zur
  Modellierung von kleinskaligen Variationen,
  induziert durch large scale Dynamik
• Simulationen von synoptischen Situationen, in
  denen Zirren entstehen können

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Danksagung

• Klaus Gierens und Andreas Dörnbrack (DLR
  Oberpfaffenhofen)
• Bill Read (JPL/NASA)
• Heini Wernli (Universität Mainz)
• Ulrich Leiterer und Horst Dier (DWD)
• Piotr Smolarkiewicz und Woitek Grabowski (NCAR)
• DFG Projekt Dünner Zirrus (GI 333/1-1)
• ECMWF special project für Rechenzeit auf den IBM
  Parallelmaschinen
• (Ice supersaturation and cirrus clouds)

73

• Sonderdrucke und Preprints unter
• peter.spichtinger_at_env.ethz.ch
• Homepage zu ISSRs
• www.pa.op.dlr.de/issr
• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!

74
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 0.0 h
75
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 1.5 h
76
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 3.0 h
77
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 4.5 h
78
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 6.0 h
79
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 7.5 h
80
Dust Snow Sea Salt
z300 m t 9.0 h
81
Dust Snow Sea Salt
z300 m t10.5 h
82
Dust Snow Sea Salt
z300 m t12.0 h
83
Dust Snow Sea Salt
z300 m t12.0 h
84
Dust Snow Sea Salt
x218 km t12.0 h
85
(No Transcript)
86
000 h 0.0 d
87
024 h 1.0 d
88
048 h 2.0 d
89
074 h 3.0 d
90
096 h 4.0 d
91
120 h 5.0 d
92
132 h 5.5 d
93
144 h 6.0 d
94
156 h 6.5 d
95
168 h 7.0 d
96
180 h 7.5 d
97
192 h 8.0 d
98
204 h 8.5 d
99
226 h 9.0 d
100
238 h 9.5 d
101
240 h 10.0 d
102
252 h 10.5 d
103
264 h 11.0 d
104
276 h 11.5 d
105
288 h 12.0 d
106
000 h 12.5 d