Anthropogenic Impacts on Summer Precipitation in Central Arizona,U.S.A.

This article explores the possibility of urbanization‐ and irrigation‐induced increases in summer precipitation totals in central Arizona. Maximum precipitation impacts are hypothesized to occur downwind of the Phoenix area in the Lower Verde basin. Results from statistical tests indicate that summer precipitation totals in the Lower Verde basin are greater than totals in nearby basins. Precipitation totals in the basin also appear to be equivalent to totals at more monsoon‐impacted stations in eastern Arizona. While this research is preliminary, the results do provide encouraging evidence of the existence of anthropogenically enhanced summer precipitation in central Arizona.     

Zur Struktur der Wolken

Zusammenfassung Die vonRittberger aufgestelleten Arbeitshypothesen über den Zusammenhang zwischen Tropfenspektren und Niederschlag gelten primär für den Feldberg (Schwarzwald, 1500 m ü. NN.). Die vorliegenden Messungen vom Jungfraujoch (3550 m ü. NN.) ergänzen und bestätigen im allgemeinen die Ergebnisse vonRittberger. Die Mittelwerte der Wolkenelemente schwanken etwa in den gleichen Grenzen. Auf Jungfraujoch sind breite Spektren etwas häufiger und die Tropfenanzhal geringer als auf dem Feldberg. Die Grenzwerte zwischen Tropfendurchmesser und Temperatur erfahren eine wesentliche Erweiterung zu tieferen Temperaturen.Die Hochnebellagen auf Jungfraujoch sind durch Stau bedingt, und die Tropfengröße ändert sich von der Wolkenuntergrenze (klein) zur Wolkenobergrenze (groß). Die Gleichgewichtsgröße an der Wolkenobergrenze wird durch die darüber liegende Bewölkung bestimmt.Auf Jungfraujoch überwiegen die breiten Spektren, schmale scheinen an Wolkenunter- und-obergrenzen gebunden zu sein. Dabei ist schwer zu entscheiden, inwieweit geschmolzene Kristalle breite Tropfenspektren vortäuschen. Eindeutig ist das starke Überwiegen breiter Spektren bei großräumigem Niederschlag im Tal.Diese Feststellung läßt sich bei der Bearbeitung der einzelnen Wetterlagen bestätigen. Ergiebige Regen im Tal sind mit starken Abkühlungen in der freien Atmosphäre und breiten Tropfenspektren verbunden. Dabei tritt mit Einsetzen des Regens im Tal in drei von vier Fällen auf dem Jungfraujoch ein Rückgang der Tropfenanzahl um eine Zehnerpotenz ein.

---

Summary Rittberger's working hypotheses on the relation between drop spectra and precipitation are primarily valid for the Feldberg (Black Forest, 1500 m a. s. l.). The present measurements from Jungfraujoch (3550 m) complete and confirm in general the results ofRittberger. The mean values of cloud elements vary in about the same limits. On Jungfraujoch broad spectra are slightly more frequent and the number of drops per unit is smaller than on the Feldberg. The limits between drop diameter and temperature show a considerable extension towards lower temperatures.The layers of elevated fog on Jungfraujoch are conditioned by barrage and the drop size varies from the lower (small drops) to the upper (larger drops) cloud border. The equivalent quantity at the upper cloud border is determined by the cloudiness above.On Jungfraujoch broad spectra prevail, small ones seem to be restricted to lower and upper cloud borders, whereby it is difficult to decide, in how far melted crystals give the impression of broad drop spectra. Strong prevailing of broad spectra with large-scale precipitation in the valley is well established.This result is confirmed by a discussion of the weather situations. Rich precipitations in the valley are combined with considerable cooling in the upper air and broad drop spectra. Precipitatons in the valley are on Jungfraujoch in three of four cases accompanied by a reduction of the drop number with a power of ten.

---

Résumé Les hypothèses de travail établies parRittberger sur les rapports existant entre le spectre des gouttes et les précipitations ne sont valables, à l'origine, que pour le Feldberg (Forêt Noire, 1500 m d'altitude). Les mesures effectuées au Jungfraujoch (3550 m), mesures qui sont présentées ici, viennent compléter et en général confirmer les résultats obtenus parRittberger. Les valeurs moyennes des éléments de nuages oscillent à peu près entre les mêmes limites. Les spectres largement étalés sont un peu plus fréquent et le nombre des gouttes plus petit au Jungfraujoch qu'au Feldberg. Les valeurs limites entre le diamètre des gouttes et la température s'étendent notablement en direction des basses températures.Les situations de brouillard élevé sont provoquées au Jungfraujoch par un effet de barrage et la grosseur des gouttes augmente de la base (petites gouttes) au sommet (grosses gouttes) du nuage. La valeur d'équilibre à la limite supérieure des nuages est déterminée par la nébulosité située au-dessus.Les spectres largement étalés sont en majorité au Jungfraujoch. Les spectres étroits y semblent liés à la base et au sommet des nuages. Il est cependant difficile de déterminer dans quelle mesure des cristaux fondus donnent l'illusion de spectres largement étalés. Ces derniers sont plus fréquents, et cela de façon absolument certaine, lorsque des précipitations étendues s'abatten en plaine.Cette constatation est confirmée par l'étude des situations météorologiques. Des précipitations abondantes en plaine sont liées à un fort refroidissement de l'atmosphère libre et à des spectres de gouttes largement étalés. Au moment du début des précipitations en plaine, on constate trois fois sur quatre une diminuation d'une puissance de 10 du nombre des gouttes au Jungfraujoch.

---

---

Mit 6 Textabbildungen     

Zur Struktur der Niederschläge. III

Zusammenfassung Die an acht Stationen von der Polar-bis zur Tropenzone vermessene Struktur des Niederschlags wird hauptsächlich durch die atmosphärische Schichtung und die geographische Lage bestimmt. Dabei treten für die einzelnen Stationen charakteristische Schwankungen auf, die sich z. B. in der Anzahl der Tropfen für die verschiedenen Größengruppen oder in der Breite der Spektren zeigen. Stau- und Labilitätsregen unterscheiden sich deutlich. Für Karlsruhe lassen sich aus den in zeei Jahren gemessenen Daten die Unterschiede von Jahreszeit zu Jahreszeit ableiten. Intensive Regen sind mit Labilität und hoher Temperatur gekoppelt und fehlen deshalb in der Polarzone vollständig. Sie treten außerdem nur bei breiten Spektren auf und sind nur in der Tropenzone an hohe Tropfenzahlen gebunden. Zwischen einem idealen Regen und den tatsächlich vermessenen ergeben sich infolge der immer vorhandenen verschieden großen Tropfen (Spektrum) Unterschiede. Aus der gemessenen Struktur des Regens läßt sich die Radarreflektibilität berechnen. Sie weicht ebenfalls infolge der Spektrenbreite erheblich vom idealen Regen ab und schwankt von Station zu Station. Dabei ist es gleichgültig, ob der mittlere Tropfendurchmesser, die Spektrenbreite, der Wassergehalt oder die Intensität des Regens als Parameter gewählt werden. Ganz allgemein ist die Intensität der vermessenen Regen bis um den Faktor 5 kleiner als die eines entsprechenden idealen Regens. SchließLich gibt der zeitliche Ablauf der einzelnen Regen Beispiele für die Zunahme der Schwankung aller Parameter mit größer werdender Intensität des Regens und für die Schwierigkeit, aus Radarbeobachtungen sicher die Intensität der zu erwartenden Niederschläge vorherzusagen.

---

Summary The structure of precipitation, which has been measured at eight stations distributed from the polar to the tropic zone, is mainly determined by the atmospheric stratification and by the geographical situation. Characteristic variations could be found at the different stations, which show up in the number of drops within the various classes of drop sizes or in the range of the spectrum. Rains caused by barrage or by lability are distinctly different. For Karlsruhe one can derive seasonal variations from the data collected in two years. Intense rains are combined with lability and high temperature and, therefore, are absent in the polar zone. Besides this they appear only with broad spectra and are bound to large numbers of drops only in the tropics. Between an ideal rainfall and a really measured one there are always differences on account of the drops of different sizes which always appear (spectrum). From the observed structure of a rain one can derive its radar-reflectivity. Owing to the range of the spectrum it deviates largely from the reflectivity of the ideal rain, too, and differs from station to station. All this does not depend on whether one selects the mean drop diameter, the range of the spectrum, the water contents or the intensity of the rain as parameter. Generally, the intensity of the observed rain is up to five times smaller than the intensity of the corresponding ideal rain. Finally, the temporal progress of the single rains presents examples of the increase of the variation of all parameters with increasing intensity of the rain, and of the difficulty to predict correctly the intensity of the expected precipitation from radar observations.

---

Résumé La structure des précipitations de 8 stations échelonnées de la zone polaire aux tropiques est déterminée en majeure partie par la stratification atmosphérique et la position géographique de la station d'observations elle-même. On constate cependant pour chaque station des variations caractéristiques qui se signalent par exemple dans le nombre de gouttes des différents groupes de grosseur ou dans la largeur du spectre. Les pluies de barrage ou d'instabilité sont nettement différentes les unes des autres. Ainsi, pour Karlsruhe, on peut déduire les différences saisonnières des deux seules années d'observations. Les pluies de forte intensité sont liées à de l'instabilité et à de hautes températures. Elles manquent de ce fait totalement dans la zone polaire. Elles ne se rencontrent en outre que pour de larges spectres de gouttes et ne sont liées à de grands nombres de gouttes que dans la zone tropicale. Par suite du fait que les gouttes ont toujours des grandeurs différentes (spectre des gouttes) on constate toujours des différences entre une pluie idéale et celle qui est effectivement mesurée. On peut calculer la réflexion radar en partant de la structure mesurée de la pluie. Elle s'éloigne également de façon sensible de celle d'une pluie idéale par suite de la largeur du spectre des gouttes et varie de station à station. Dans ce cas, il est indifférent que l'on choisisse comme paramètre le diamètre moyen des gouttes, la largeur du spectre, la contenance en eau du nuage ou l'intensité de la pluie. D'une manière toute générale, l'intensité mesurée de la pluie est jusqu'à 5 fois plus faible que celle d'une pluie idéale correspondante. Enfin, l'évolution dans le temps des différentes chutes de pluie donne des exemples de l'augmentation des variations de tous les paramètres avec l'augmentation de l'intensité de la pluie et de la difficulté de prévoir avec précision l'intensité des précipitations au moyen d'observations faites au radar.

---

---

Mit 23 Abbildungen     

Höchstlasten der Nebelfrostablagerungen an Hochspannungsleitungen im Gebirge

Zusamenfassung An Hand der Abteilungen vonAlbrecht läßt sich der Eisansatz and Hochspanungsleitungen berechnen, wenn die Tropfengröße, der Wassergehalt der Luft und die Windgeschwindigkeit bekannt sind. Die Übereinstimmung der theoretischen Werte mit den von uns gemessenen Werten ist gut, wenn man bedenkt, daß die Eislastmessungen sich über Stunden und Tage erstrecken und die Bestimmung der Wolkenelemente sich auf Stichproben beschränken muß. Die maximale Eislast betrug bei unseren Messugen in 205 Stunden 24,6 kg/m und wurde außerhalb der Meßreihe noch überschritten. Die Ergebnisse der Gesamtlast-Messungen lassen sich durch einee-Funktion darstellen, deren Exponent durch die Ablagerungszeit und einen örtlich variierenden Faktor zwischen 0,003 und 0,030 bestimmt ist; dieser scheint den Einfluß der Windgeschwindigkeit und des Wassergehlates zu umfassens.

---

Summary By the deductions ofAlbrecht the formation of ice at hightension conduits cna be calculated if one knows the size of the drops, the water content of the air and the wind velocity. The confornity between the theoretical values and those measured by us, is good, if one considers that the measurements of the ice deposits cover hours and days and that the determination of the cloud elements had to be limited to some few observations. The highest amouint of ice load was 24,6 kg/m in 205 hours and was still greater after the observational series. The results of measurements of the total load can be shown by ane-function, the exponent of which is determined by the duration of ice deposit and by a local factor, varying between 0,003 and 0,030; this one seems to cover the influence of the wind velocity and of the water content.

---

Résumé Il est possible, grâce aux travaux d'Albrecht, de calculer le givrage des conduites à haute tension, dès que l'on connaît la grosseur des gouttelettes, la teneur en eau de l'air et la vitesse du vent. La concordance des valeurs théoriques avec celles qui résultent des mesures est bonne si l'on considère que les mesures du poids de la glace se poursuivent pendat des heures et des jourm, et que la détermination des éléments nuageux ne pouvait consister qu'en quelques observations de contrôle. La charge de glace maximale qui fut mesurée, était de 24,6 kg/m pendant 205 heures et dépassa ce chiffre après la période de mesure. Les résultats des mesures de la charge totatle peuven être représentés par unde fonctione, dont l'exposant est déterminé par le temps pendant lequel la glace se dépose et par un facteur local variant entre 0,003 et 0,030; ce dernier semble comprendre l'influence exercée par la vitesse du vent et par la teneur en eau de l'air.

---

---

Mit 3 Textabbildungen.     

Oxidation and emission of methane in a monomictic lake (Rotsee, Switzerland)

The build-up of methane in the hypolimnion of the eutrophic Lake Rotsee (Lucerne, Switzerland) was monitored over a full year. Sources and sinks of methane in the water column were characterized by measuring concentrations and carbon isotopic composition. In fall, high methane concentrations (up to 1 mM) were measured in the anoxic water layer. In the oxic layer, methane concentrations were much lower and the isotopic composition shifted towards heavy carbon isotopes. Methane oxidation rates peaked at the interface between oxic and anoxic water layers at around 8–10 m depth. The electron balance between the oxidants oxygen, sulphate, and nitrate, and the reductants methane, sulphide and ammonium, matched very well in the chemocline during the stratified season. The profile of carbon isotopic composition of methane showed strong indications for methane oxidation at the chemocline (including the oxycline). Aerobic methane oxidizing bacteria were detected at the interface using fluorescence in situ hybridization. Sequencing the responsible organisms from DGGE bands revealed that aerobic methanotrophs type I closely related to Methylomonas were present. Sulphate consumption occurred at the sediment surface and, only towards the end of the stagnation period, matched with a zone of methane consumption. In any case, the flux of sulphate below the chemocline was not sufficient to oxidize all the methane and other oxidants like nitrate, iron or manganese are necessary for the observed methane oxidation. Although most of the methane was oxidized either aerobically or anaerobically, Lake Rotsee was still a source of methane to the atmosphere with emission rates between 0.2 mg CH₄ m^?2 day^?1 in February and 7 mg CH₄ m^?2 day^?1 in November.     

New Methods to Estimate 2D Water Level Distributions of Dynamic Rivers

River restoration measures are becoming increasingly popular and are leading to dynamic river bed morphologies that in turn result in complex water level distributions in a river. Disconnected river branches, nonlinear longitudinal water level profiles and morphologically induced lateral water level gradients can evolve rapidly. The modeling of such river‐groundwater systems is of high practical relevance in order to assess the impact of restoration measures on the exchange flux between a river and groundwater or on the residence times between a river and a pumping well. However, the model input includes a proper definition of the river boundary condition, which requires a detailed spatial and temporal river water level distribution. In this study, we present two new methods to estimate river water level distributions that are based directly on measured data. Comparing generated time series of water levels with those obtained by a hydraulic model as a reference, the new methods proved to offer an accurate and faster alternative with a simpler implementation.     

Intra-annual variability of urban effects on streamflow

While considerable research has established the impacts of urbanization on streamflow, there has been little emphasis on how intra-annual variations in streamflow can deepen the understanding of hydrological processes in urban watersheds. This study fills this critical research gap by examining, at the monthly scale, correlations between land-cover and streamflow, differences in streamflow metrics between urban and rural watersheds, and the potential for the inflow and infiltration (I&I) of extraneous water into sewers to reduce streamflow. We use data from 90 watersheds in the Atlanta, GA region over the 2013–2019 period to accomplish our objectives. Similar to other urban areas in temperate climates, Atlanta has a soil-water surplus in winter and a soil-water deficit in summer. Our results show urban watersheds have less streamflow seasonality than do rural watersheds. Compared to rural watersheds, urban watersheds have a much larger frequency of high-flow days during July–October. This is caused by increased impervious cover decreasing the importance of antecedent soil moisture in producing runoff. Urban watersheds have lower baseflows than rural watersheds during December–April but have baseflows equal to or larger than baseflows in rural watersheds during July–October. Intra-annual variations in effluent data from wastewater treatment plants provide evidence that I&I is a major cause of the relatively low baseflows during December–April. The relatively high baseflows in urban watersheds during July–October are likely caused by reduced evapotranspiration and the inflow of municipal water. The above seasonal aspects of urban effects on streamflow should be applicable to most urban watersheds with temperate climates.     

Air Quality,Climate, and Policy: A Case Study of Ozone Pollution in Tucson,Arizona

This article addresses the need to better understand the complex interactions between climate, human activities, vegetation responses, and surface ozone so that more informed air‐quality policy recommendations can be made. The impacts of intraseasonal climate variations on ozone levels in Tucson, Arizona from April through September of 1995 to 1998 are determined by relating variations in ozone levels to variations in atmospheric conditions and emissions of ozone's precursor chemicals, volatile organic compounds (VOCs) and nitrogen oxides (NO_x), and by determining month‐specific atmospheric conditions that are conducive to elevated ozone levels. Results show that the transport of ozone and its precursor chemicals within the Tucson area causes the highest ozone levels to be measured at a downwind monitor. The highest ozone levels occur in August, due in part to the presence of the North American monsoon. Atmospheric conditions conducive to elevated ozone concentrations differ substantially between the arid foresummer (May and June) and the core monsoon months ( July and August). Transport of pollution from Phoenix may have a substantial impact on elevated ozone concentrations during April, May, and June, while El Paso/Ciudad Juarez –derived pollution may contribute significantly to elevated ozone concentrations in August and September. Two broad policy implications derive from this work. Regional pollutant transport, both within the U.S. and between the U.S. and Mexico, is a potential issue that needs to be examined more intensively in future studies. In addition, spatiotemporal variations in sensitivities of ozone production require the adoption of both NO_x and VOC control measures to reduce ozone levels in the Tucson area.     

Zur Struktur der Wolken II

Zusammenfassung Die bisherigen Untersuchungen auf Jungfraujoch wurden durch drei weitere Expeditionen ergänzt, die Messungen bei tieferen Temperaturen ergaben. Die Tropfenspektren sind breiter, die mittleren Tropfendurchmesser jedoch zeigen einen größeren Anteil schmaler Spektren, d. h. die großen Tropfen treten nur vereinzelt auf und bestehen meist aus geschmolzenen Kristallen. Die Tropfenzahlen je cm³ haben ihre größte Häufigkeit bei 100, der Wassergehalt liegt bevorzugt zwischen 0 und 0,1 g/m³. das Maximum bei 1,2g/m³.Aus der Breite der Tropfenspektren auf Jungfraujoch, der dabei herrschenden Temperatur und dem Niederschlag im Tal ergeben sich folgende allgemeine Resultate: Wolken mit Niederschlag im Tal bestehen im Bereich negativer Temperaturen aus Tropfen und Kristallen. Zwischen –2° und –10°C sind die mittleren Tropfendurchmesser groß und die Spektren breit, zwischen –14° und –22°C klein und schmal. Die Niederschlagsmengen im Tal sind bei großflächigem Regen weitgehend unabhängig davon, ob der Niederschlag als Regen oder Schnee fällt. Daraus folgt ein Aufbau der Wolke, der unabhängig von der Lage der Null-Grad-Grenze ist. Bei ergiebigen Niederschlägen am Boden vermindert sich auf Jungfraujoch die Tropfenzahl um eine Zehnerpotenz.Die Niederschlagstheorie vonBergeron muß in einigen Punkten ergänzt werden. Das reine Kristallwachstum reicht nicht aus, um ergiebigen Niederschlag zu erzeugen. Erst die Anlagerung von Tropfen auf dem Fallweg in der Wolke (die Vergraupelung) führt zu Größen der Regentropfen, wie sie am Boden gemessen werden. Nicht erfaßbar sind dabei die großtropfigen Schauer und die Regen aus Wolken im positiven Temperaturbereich.

---

Summary Our former investigations on Jungfraujoch have been completed by three further expeditions with measurements at lower temperatures. The drop spectra are broader, the medium drop diameters however yield a larger share of small spectra, i. e. large drops occur only sporadically and consist mainly in melted crystals. The number of drops per cm³ have their maximum frequency at 100, the water content lies preferably between 0 and 0.1 g/m³, its maximum at 1.2 g/m³.From the breadth of drop spectra on Jungfraujoch and from temperature and precipitation in the valley the following general results can be deduced: Clouds with precipitations in the valley consist in the region of negative temperatures of drops and crystals. Between –2° and –10°C medium drop diameters are large and the spectra broad, between –14° and –22°C small and narrow. The quantity of precipitation in the valley is with largescale rainfall largely independent of the kind of precipitation (rain or snow); thus the cloud-structure is independent of the position of the zero degree limit. For rich precipitations at the ground the number of drops on Jungfraujoch is reduced by a power of ten.The precipitation theory ofBergeron is to be completed in some points. Crystal growth in itself is not sufficient to produce extensive precipitations. Only the coalescence of drops on their way in the cloud under production of soft hail leads to the size of rain drops measured at the ground. Largedrop showers and rain from clouds with positive temperatures cannot be covered by this explanation.

---

Résumé Les recherches effectuées antérieurement au Jungfraujoch ont été complétées par trois expéditions qui ont procédé à des mesures par de basses températures. Les spectres des gouttes contenues dans un nuage y établis sont plus larges. On y trouve pourtant une plus grande proportion de spectres étroits dans les diamètres de gouttes moyennes, c'est à dire que les grosses gouttes ne sont que des phénomènes isolés et sont en général faites de cristaux fondus. Le nombre de gouttes par cm³ se trouve le plus souvent au vosinage de 100, la contenance en eau du nuage est comprise entre 0 et 0,1 g/m³ et son maximum se situe à 1,2 g/m³.De la largeur du spectre des gouttes au Jungfraujoch, de la température qui y règne et des précipitations recueillies dans la vallée, on peut tirer les conclusions générales suivantes: Les nuages provoquent des précipitations dans la vallée se composent, par températures négatives, de gouttes et de cristaux. Entre –2° et –10°C, les diamètres moyens sont grands et les spectres étalés. Entre –14° et –22°C, les diamètres moyens sont plus petits et les spectres étroits. Les quantités de précipitations en grande étendue recueillies en plaine sont généralement indépendantes du fait qu'elles tombent sous forme de pluie ou de neige. Il s'ensuit une structure nuageuse indépendante de l'altitude de l'isotherme de zéro degré. Si les précipitations sont abondantes au sol, le nombre de gouttes diminue d'une puissance de dix au Jungfraujoch.Il faut compléter sur certains points la théorie des précipitations deBergeron. Le seul grossissement des cristaux ne peut expliquer d'abondantes précipitations. Ce n'est que la réunion de gouttes, lors de leur chute dans le nuage (formation de grésil) qui provoque de grosses gouttes telles qu'on les rencontre au sol. On ne peut pourtant pas expliquer par là ni les averses présentant de très grosses gouttes, ni les précipitations issues de nuages situés dans des zones à températures positives.

---

---

Mit 2 Textabbildungen