Solar radiation: Parameterizations and aerosols feedbacks

Abstract

Τhe present study aims to improve our understanding of the aerosols’ absorption impact on the energy balance and meteorological state in the Mediterranean basin during summer conditions. Black carbon (BC), dust, sea salt, and brown carbon (BrC) absorption are examined independently. The main focus is on BC emitted from both anthropogenic and biomass burning (BB) activity and on BrC emitted by BB alone. The research is undertaken under moderate pollution events (August-September 2011) for BC, and under moderate (August 2019) and severe fire activity (August 2021) for BrC. To investigate the effects of absorption, WRF-Chem is implemented, as it enables the interaction of aerosols and radiation through the coupling of chemistry with meteorology. The BrC absorption has been introduced to WRF-Chem considering the photochemical bleaching and the variability of the BB sources and burning conditions, while the absorption due to BC, dust, and sea-salt was already incorporated in the model. The meteorological parameters, the shortwave irradiance, along with the aerosol concentrations and optical properties are examined throughout the tropospheric column and are evaluated against stationary data (Finokalia station), radiosondes (from Sicily and Heraklion stations), remote sensing (AIRS, AERONET, OMI) observations, reanalysis (MERRA-2) data, and airborne measurements (Aegean-GAME campaign).During the Aegean-GAME campaign, BC concentrations of 1 µg m-3 are frequently detected along the aircraft path with simulated values around 0.6 µg m-3. Compared to Finokalia data, BC concentrations are underestimated by 32%. Daily modelled values range between 0.3 and 0.9 µg m-3 corresponding to BC absorption coefficients of 3 to 10 Mm-1. The BC direct radiative effect (DRE) is estimated at 1.2 W m−2 of the total 1.3 W m−2 absorbed in Eastern Mediterranean. The remaining 0.1 W m−2 is attributed to dust, whereas sea salt has scant contribution, despite its high concentration in the Mediterranean atmosphere. BC absorption reduces downward shortwave irradiance reaching the ground by approximately 6 W m−2 and the upward flux by approximately 1 W m−2. Even though cloud formation is not favoured during the study period, BC absorption reduces overall the cloud water mixing ratio by 10%. However, during specific days and over limited cloudy areas, the semi-direct effect reduces low level clouds up to 20%, while in terms of higher clouds the reduction reaches up to ~29%. In order to examine the physical mechanisms that contribute to the temperature increase, all modelled heating rates of the thermodynamic equation are analysed. Radiation direct absorption increases the air temperature with a rate up to 0.2 K day−1, with an exception inside the surface layer, where longwave cooling prevails. The heating at the lower part of the marine boundary layer (MABL) is mainly attributed to the advection process, as more heated air masses are transported over the Eastern Mediterranean.BrC absorption has been estimated to approach 5 Mm-1 with Organic Carbon (OC) concentrations up to 3 μg m-3 near the sources while approximates 15 Mm-1 in extreme BB conditions (OC concentrations up to 10 μg m-3). When photochemical bleaching is considered, BrC undergoes almost immediate bleaching upon emission due to high levels of OH radical in the Mediterranean atmosphere during summertime, decreasing light absorption between 56% and 75% under both average and extreme BB conditions. Cloud formation is facilitated above the PBL due to moisture increase induced by BrC at the area of fire events, while transported drier and warmer air masses tend to dissipate cloud formation further away from the BB sources. The impact of BrC absorption on irradiances is small (locally and temporarily up to -6 W m-2 in extreme conditions) and is often overlapped by the absorption from water vapour variations. BrC DRE is estimated at 0.04 W m-2 (~ 10% of BC) in average and 0.18 W m-2 in extreme BB activity under clear sky. Under all sky conditions, low-level clouds dissipation in 2019 enhances DRE in average BB activity (at 0.15 W m-2), while the higher clouds dissipation in 2021 limits DRE (at 0.11 W m-2) which results in lower DRE values despite the extreme BB conditions.

Σε αυτή τη διδακτορική έρευνα, μελετάται η επίδραση της απορρόφησης της ακτινοβολίας από τα αερολύματα στο ενεργειακό ισοζύγιο καθώς και στις ατμοσφαιρικές παραμέτρους στη λεκάνη της Μεσογείου σε αντιπροσωπευτικές θερινές περιόδους. Η απορρόφηση του κάθε αερολύματος εξετάζεται μεμονωμένα: μαύρος άνθρακας, σκόνη, αλάτι, καφέ άνθρακας. Ωστόσο, η έρευνα κυρίως επικεντρώνεται στον μαύρο άνθρακα τόσο ανθρωπογενούς όσο και φυσικής προέλευσης αλλά και στον καφέ άνθρακα εκπεμπόμενος μόνο από καύση βιομάζας. Για τον μαύρο άνθρακα, η έρευνα πραγματοποιείται σε συνθήκες μέτριας ρύπανσης (Αύγουστος-Σεπτέμβριος 2011), ενώ για τον καφέ άνθρακα επιλέχθηκα δύο περίοδοι, μία σε μέσες (Αύγουστος 2019) και μία σε υψηλές συνθήκες καύσης (Αύγουστος 2021). Για τη διερεύνηση της επίδρασης της απορρόφησης των αερολυμάτων, εφαρμόζεται το μοντέλο μέσης κλίμακας, WRF-Chem, καθώς μέσω της πλήρους σύζευξης της χημείας με τη μετεωρολογία επιτρέπει την αλληλεπίδραση των αερολυμάτων με την ακτινοβολία. Η απορρόφηση του μαύρου άνθρακα, της σκόνης και του αλατιού είναι ήδη ενσωματωμένα στο μοντέλο, ενώ η απορρόφηση του καφέ άνθρακα εισάγεται στο WRF-Chem λαμβάνοντας υπόψη τη φωτοχημική λεύκανση του αερολύματος καθώς και την επίδραση των διαφόρων πηγών και των συνθηκών καύσης στην απορροφητική του ικανότητα. Οι ατμοσφαιρικές παράμετροι, η ηλιακή ακτινοβολία, καθώς και οι συγκεντρώσεις και οι οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων εξετάζονται καθ’ ύψος της τροπόσφαιρας και συγκρίνονται με παρατηρήσεις από σταθμούς (Φινοκαλιά), ραδιοβολίσεις (σταθμός Σικελίας και Ηρακλείου), μετρήσεις τηλεπισκόπησης (AIRS, AERONET, OMI), δεδομένα reanalysis (MERRA-2) και τέλος με μετρήσεις οι οποίες εξήχθησαν από την εκστρατεία “Aegean-GAME” με χρήση εξειδικευμένου ερευνητικού αεροσκάφους.Κατά τη διάρκεια της εκστρατείας Aegean-GAME, ανιχνεύονται συχνά συγκεντρώσεις μαύρου άνθρακα στο 1 μg m-3 κατά μήκος της τροχιάς του αεροσκάφους με το μοντέλο να προσομοιώνει τις αντίστοιχες τιμές περίπου στα 0,6 μg m-3. Σε σύγκριση με τα δεδομένα της Φινοκαλίας, οι προσομοιούμενες συγκεντρώσεις μαύρου άνθρακα υποεκτιμώνται κατά 32%. Οι ημερήσιες τιμές κυμαίνονται μεταξύ 0,3 και 0,9 μg m-3 που αντιστοιχούν σε συντελεστές απορρόφησης μαύρου άνθρακα από 3 έως 10 Mm-1. Οι αντίστοιχοι ημερήσιοι συντελεστές απορρόφησης του αερολύματος υπολογίζονται ανάμεσα σε 3 και 10 Mm-1. Η διακύμανση του ενεργειακού ισοζυγίου στην τροπόπαυση υπολογίζεται σε 1,2 W m−2 λόγω της απορρόφησης από τον μαύρο άνθρακα και μόνο το 0,1 W m−2 αποδίδεται στη σκόνη, ενώ το αλάτι έχει σχεδόν μηδενική συμβολή στην απορρόφηση, παρά τις μεγάλες συγκεντρώσεις του στην ατμόσφαιρα της Μεσογείου. Η μέση ημερήσια εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στο έδαφος μειώνεται κατά περίπου 6 W m−2 λόγω της απορρόφησης από τον μαύρο άνθρακα ενώ η εξερχόμενη κατά περίπου 1 W m−2. Παρόλο που ο σχηματισμός νεφών δεν ευνοείται κατά την περίοδο της μελέτης, η απορρόφηση από τον μαύρο άνθρακα μειώνει συνολικά την αναλογία μείγματος στην υγρή φάση κατά 10%. Ωστόσο, σε χαμηλούς νεφικούς σχηματισμούς η μείωση μπορεί να φτάσει έως και 20%, ενώ σε περιπτώσεις υψηλότερων νεφών η μείωση φτάνει έως και ~29%. Αναλύοντας τους ρυθμούς θέρμανσης όλων των φυσικών διεργασιών που συμβάλλουν στην αύξηση (ή μείωση) της θερμοκρασίας, προκύπτει ότι η άμεση απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας από τον μαύρο άνθρακα αυξάνει τη θερμοκρασία του αέρα με ημερήσιο ρυθμό έως και 0,2 K day−1, με εξαίρεση το επιφανειακό στρώμα, όπου η παρατηρούμενη θέρμανση αποδίδεται κυρίως στη μεταφορά θερμών αερίων μαζών από την Ανατολική Μεσόγειο.Η εκτίμηση για την απορρόφηση του καφέ άνθρακα προσεγγίζει τα 5 Mm-1 κοντά στις πηγές σε συνήθεις συνθήκες καύσης βιομάζας όπου οι συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα υπολογίζονται σε έως και 3 μg m-3, ενώ σε ακραίες συνθήκες καύσης βιομάζας (συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα έως 10 μg m-3) μπορεί να προσεγγίσει τα 15 Mm-1. Σχεδόν αμέσως μετά την εκπομπή, ο καφέ άνθρακας υφίσταται λεύκανση αποδιδόμενη στα υψηλά επίπεδα υδροξυλίου στην ατμόσφαιρα της Μεσογείου κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, μειώνοντας την απορροφητική του ικανότητα μεταξύ 56% και 75%. Στην περιοχή των πυρκαγιών, ο σχηματισμός νεφών ενισχύεται πάνω από το ατμοσφαιρικό οριακό στρώμα λόγω της αύξησης της υγρασίας στα στρώματα αυτά, ενώ μεταφερόμενες ξηρότερες και θερμότερες αέριες μάζες τείνουν να διαλύσουν τους νεφικούς σχηματισμούς σε περιοχές μακριά από τις πηγές. Η επίδραση του καφέ άνθρακα στην εισερχόμενη ροή της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μικρή (υπό ακραίες συνθήκες η μείωση στιγμιαία προσεγγίζει τα -6 W m-2) και συχνά επικαλύπτεται από την απορρόφηση των υδρατμών. Η επίδραση του καφέ άνθρακα στο ενεργειακό ισοζύγιο υπολογίζεται σε 0,04 W m-2 (~ 10% του μαύρου άνθρακα) σε μέση και 0,18 W m-2 σε ακραία δραστηριότητα καύσης βιομάζας υπό καθαρό ουρανό. Η μείωση των χαμηλών νεφικών σχηματισμών το 2019 ενισχύει την επίδραση του καφέ άνθρακα στο ενεργειακό ισοζύγιο σε μέση δραστηριότητα καύσης βιομάζας (εκτιμώμενη στα 0,15 W m-2), ενώ η συνολική μείωση υψηλότερων νεφών το 2021 περιορίζει την επίδραση αυτή (στα 0,11 W m-2) παρά την εκτεταμένες πυρκαγιές κατά την περίοδο αυτή.