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Light Scattering and Particle Aggregation in Snow-Storms

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Malcolm Mellor*
Affiliation:
U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, Hanover, New Hampshire, U.S.A.
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Abstract

Attenuation of visible radiation by falling snow was studied by a method based on brightness contrast between topographic features and the adjacent sky. Extinction coefficient and visual range are related to bulk snow density, and are compared with data for Antarctic blizzards. Since attenuation depends more on the size and concentration of discrete particles than on the mass density of suspended snow, the process of particle aggregation and snow-flake formation during fall is considered by collision theory, and an expression describing aggregation effects is developed. This offers an explanation for the relative constancy of particle concentration observed at ground level during snowfalls of varying intensity. Since there is no strong justification for relating extinction coefficient to snow density, an empirical correlation between extinction coefficient and precipitation rate is given for practical use. It is shown that visual range estimated by eye in hilly terrain may be less than the true value, since sky brightness is locally reduced over broad hill-tops with low albedo.

Résumé

Résumé

L’atténuation par la neige en chute de la radiation visible est étudiée scion une méthode basée sur le contraste de luminosité entre les traits topographiques et le ciel au-dessus. Le coefficient d’extinction et la portée visuelle sont mise en relation avec la densité de la neige, pour être comparés avec les données des blizzards antarctiques.

Puisque l’atténuation dépend de la dimension et de la concentration des particules discrètes plutôt que de la densité-masse de la neige en suspension, le procédé de l’aggrégation est envisagé en termes de la théorie de la collision, dont l’Auteur développe une expression descriptive des effets de l’aggrégation.

Cette expression offre une explication de la constance relative de la concentration des particules observée au niveau du sol pendant des chutes de neige d’intensités différentes.

Dans l’absence d’argument probant en faveur d’une relation entre le coefficient d’extinction et la densité de la neige, l’Auteur offre une corrélation empirique entre le coefficient d’extinction et le taux de précipitation, convenable à l’usage courant.

Il est démontré que l’oeil humain, en estimant sa portée visuelle sur des terrains accidentés, tend à sous-estimer les valeurs à cause de la réduction locale de la luminosité au-dessus des sommets larges ayant un albédo faible.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Verringerung der sichtbaren Strahlung bei Schneefall wurde anhand der Helligkeitsunterschiede zwischen topographischen Gegenständen und dem benachbarten Himmel untersucht. Der Extinktionskoeffizient und die Sichtweite werden in Beziehung zur Schneedichte gebracht und mit den Daten antarktischer Schneestürme verglichen. Da die Verringerung mehr von der Grösse und Konzentration diskreter Teilchen abhängt als von der Massendichte fallenden Schnees, wird die Teilchenballung und Schneetockcnbildung während des Fallen vom Standpunkt der Kollisionstheorie betrachtet und es wird ein Ausdruck zur Beschreibung des Ballungseffektes entwickelt. Damit ergibt sich eine Möglichkeit, die verhältnismässig konstante Teilchenkonzentration zu erklären, die man am Boden bei unterschiedlich starkem Schneefall beobachtet hat. Da es keinen überzeugenden Grund gibt, den Extinktionskoeffizienten auf die Schneedichte zu beziehen, wird für den praktischen Gebrauch eine empirische Wechselbeziehung zwischen diesem und der Niederschlagsmenge angegeben. Es wird gezeigt, dass die mit dem Auge geschätzte Sichtweite in hügeligem Gelände kleiner sein kann, als ihr wahrer Wert, da die Helligkeit des Himmels über breiten Hügelrücken mit niedriger Albedo örtlich vermindert ist.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1966
Figure 0

Fig. 1.Extinction coefficient and visual range related to the density of suspended snow. Note that a direct comparison of σa for the Antarctic blizzard with σm for falling snow brings the data into coincidence for the mid-range of densities

Figure 1

Fig. 2.plotted against snow density

Figure 2

Fig. 3.Mean mass of single snow particles plotted against snow density

Figure 3

Fig. 4.Concentration of discrete particles at ground level (N) as attraction of particle concentration at the base of the parent cloud (No), according to equation (17)

Figure 4

Fig. 5.Histogram giving frequency distribution for snow particle and snow-flake fall velocity (covering all observations made at Hanover, N.H., during winter of 1964/65)

Figure 5

Fig. 6.Extinction coefficient and visual range related to snow accumulation rate for snow falling in wind free conditions

Figure 6

A.Visual Range Data

Figure 7

B.Particle Concentration

Figure 8

C.Estimated particle mass