Desert dust interactions with the atmospheric environment: the dust aerosols' role on cloud nucleation and precipitation

Abstract

During the last decades the impact of aerosols on climate and weather has been investigated through many studies. The aerosols’ interactions with the atmospheric environment are linked to various atmospheric mechanisms that make weather and climate forecasts more complicated and difficult.The scope of this thesis is the investigation of the desert dust’s indirect effects through the meteorology - chemistry Weather Research and Forecasting/Chemistry (WRF/Chem) model. As a first step, the three dust emissions schemes of Goddard Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation and Transport – GOCART have been evaluated through a case study of a dust storm over the area of Eastern Mediterranean. The specific phenomenon is also related to significant imbalance and ageostrophic circulations due to a tropopause folding and a merging of Polar (PJ) and Subtropical (STJ) jet streams over the dust sources. The schemes that have been evaluated is the default GOCART; the GOCART modified by the Air Force Weather Agency (AFWA) and the GOCART modified by the University of Cologne (UoC). The sensitivity of the three schemes to the above phenomena and their overall performance is evaluated through the comparison of the simulated data against observations. GOCART – AFWA showed the best statistical scores and had the most satisfactory spatiotemporal evolution of the advected dust. Thus, the GOCART – AFWA scheme has been chosen for the further assessing of the dust indirect effects on the formation of clouds and the pattern of precipitation. Moreover, the investigation of the wet scavenging processes, especially in the in – cloud area, is an essential preparatory step for the investigation of aerosol indirect effects. The original GOCART – AFWA does not incorporate wet scavenging processes for dust aerosols. Thus, the advanced wet deposition scheme of Seinfeld & Pandis, (1998) is implemented in the GOCART – AFWA, for both below and in - cloud scavenging mechanisms. In – cloud processes are particularly highlighted. Wet scavenging takes place mainly at levels of 3.5 km and more. The area for in – cloud scavenging plays a major role concerning especially the fine particles. Comparison of simulated data against observations have also showed that the abovementioned wet deposition scheme ameliorates the model’s performance, limits the overestimation of the simulated values of dust concentration. The influence of the simulated dust aerosols which act as effective Cloud Condensation Nuclei (CCN) has been investigated via the embedding of the revised cloud nucleation scheme of Fountoukis & Nenes, (2005). The above scheme is embedded in a cloud microphysics scheme (double moment) of the WRF/Chem. GOCART – AFWA does not incorporate any dust indirect effect to cloud mechanisms and precipitation patterns. Concerning the double moment scheme, a constant initial number for CCN number concentration is considered for the further estimation of spatiotemporal pattern of the CCN. The impact of the simulated dust CCN concentrations to the convection processes has also been investigated, also in the grey – scale zones (6 – 10 km spatial resolution). Comparisons of simulations against observations improve the model’s forecasting skill concerning the precipitation mechanism as statistical biases and errors are reduced. The benefits of the implementation of the above scheme are evident even for days after the dust event and for areas away from it.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, η επίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων στο κλίμα και στον καιρό έχουν μελετηθεί μέσα από πλήθος εργασιών της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας. Η αλληλεπίδραση των αιωρούμενων σωματιδίων με το ατμοσφαιρικό περιβάλλον σχετίζεται άμεσα με πλήθος μηχανισμών μέσα στην ατμόσφαιρα, οι οποίοι καθιστούν την πρόγνωση του καιρού και τις κλιματικές προσομοιώσεις ιδιαίτερα πολύπλοκες. Πιο συγκεκριμένα, τα αιωρούμενα σωματίδια μεταβάλλουν άμεσα το ισοζύγιο της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα (direct effect), επιδρούν στο βιοχημικό κύκλο των θαλάσσιων και χερσαίων οικοσυστημάτων και επηρεάζουν την ανθρώπινη υγεία. Επιπλέον, επηρεάζουν τον υδρολογικό κύκλο το σχηματισμό των νεφών (indirect effect) και την κατανομή του υετού.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της έμμεσης επίδρασης των σωματιδίων της ερημικής σκόνης στο σχηματισμό των νεφών και του υετού, μέσω του πλήρως συζευγμένου μετεωρολογικού – χημικού μοντέλου Weather Research and Forecasting/Chemistry (WRF/Chem). Ως πρώτο βήμα, αξιολογήθηκαν τα τρία σχήματα εκπομπής σκόνης του πακέτου Goddard Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation and Transport – GOCART μέσω μιας μελέτης περίπτωσης αμμοθύελλας που εκδηλώθηκε στην περιοχή της Μεσογείου. Το συγκεκριμένο φαινόμενο σχετίζεται με σημαντικές συνθήκες αστάθειας και αγεωστροφικότητας στις περιοχές που θεωρούνται πηγές σκόνης. Πάνω από τις συγκεκριμένες περιοχές παρατηρήθηκε σύγκλιση του πολικού (Polar Jetstream – PJ) και υποτροπικού αεροχειμάρρου (Subtropical Jetstream – STJ), αλλά και αναδίπλωση της τροπόσφαιρας. Τα σχήματα σκόνης τα οποία αξιολογήθηκαν είναι το πρωτότυπο GOCART, το ανανεωμένο GOCART – AFWA από την υπηρεσία καιρού της πολεμικής αεροπορίας των Ηνωμένων Πολιτειών (Air Force Weather Agency - AFWA) και το ανανεωμένο GOCART – UoC από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας (University of Cologne – UoC). Η απόκριση των παραπάνω σχημάτων στα παραπάνω φαινόμενα αξιολογήθηκε μέσω σύγκρισης των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. To GOCART – AFWA παρουσίασε τους καλύτερους στατιστικούς δείκτες ενώ είχε και την πιο ικανοποιητική χωροχρονική απεικόνιση των συγκεντρώσεων της μεταφερόμενης σκόνης. Επομένως, το GOCART – AFWA είναι και το σχήμα που χρησιμοποιήθηκε περαιτέρω στην εξέλιξη της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Επιπλέον, η μελέτη των μηχανισμών της υγρής εναπόθεσης κυρίως μέσα στην περιοχή των νεφών αποτέλεσε ένα επιπλέον προπαρασκευαστικό βήμα. Το GOCART – AFWA στην πρωτότυπή του μορφή δεν υποστηρίζει κάποιο σχήμα υγρής εναπόθεσης. Επομένως το σχήμα υγρής εναπόθεσης των Seinfeld & Pandis (1998), εισήχθη στο εν λόγω σχήμα, για την περιοχή εντός του νέφους όσο και για την περιοχή κάτω από αυτό. Η υγρή εναπόθεση εντός του νέφους έχει ιδιαίτερη σημασία και λαμβάνει χώρα σε ύψη από 3.5 km και πάνω όπου κυρίως σάρωση των μικρότερων σωματιδίων πραγματοποιείται. Η εισαγωγή ενός σχήματος υγρής εναπόθεσης έχει ιδιαίτερη σημασία κυρίως για την περιοχή εντός του νέφους, αφού τροποποιεί σημαντικά τη συγκέντρωση των σωματιδίων σκόνης που θα δράσουν σαν επιπλέον πυρήνες συμπύκνωσης (Cloud Condensation Nuclei – CCN) στην εν λόγω περιοχή. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με δεδομένα παρατηρήσεων έδειξαν ότι το παραπάνω σχήμα υγρής εναπόθεσης βελτιώνει τη γενικότερη προγνωστική ικανότητα του μοντέλου καθώς περιορίζεται η υπερεκτίμηση στον υπολογισμό των συγκεντρώσεων σκόνης. Η επίδραση των σωματιδίων της σκόνης που δρουν ως πυρήνες συμπύκνωσης (Cloud Condensation Nuclei – CCN) μελετήθηκε μέσω της εισαγωγής του σχήματος πυρηνοποίησης των Fountoukis & Nenes (2005) σε ένα double moment σχήμα μικροφυσικής του WRF/Chem. Ομοίως με τους μηχανισμούς υγρής εναπόθεσης, το GOCART – AFWA δεν υποστηρίζει κάποιο σχήμα πυρηνοποίησης των προσομοιωμένων σωματιδίων σκόνης. Αντ’ αυτού, μια σταθερή αρχική συγκέντρωση CCN χρησιμοποιείται για την περαιτέρω χωροχρονική των CCN. Επιπλέον, η επίδραση των προσομοιωμένων CCN μέσω του σχήματος Fountoukis & Nenes (2005) σε μηχανισμούς ανωμεταφοράς (convection) έχει επίσης ληφθεί υπόψιν. Η παραπάνω επίδραση έχει εξεταστεί ακόμα και σε χωρικές αναλύσεις που ανήκουν στη λεγόμενη «γκρίζα ζώνη» (6 – 10 km). Σε ό,τι αφορά στην ανωτέρω «γκρίζα ζώνη», υπάρχει μια διχογνωμία στη διεθνή επιστημονική κοινότητα για το αν οι μηχανισμοί ανωμεταφοράς θα πρέπει να είναι ενεργοποιημένοι, καθώς υπάρχουν νεότερες μελέτες οι στις οποίες οι παραπάνω μηχανισμοί λαμβάνονται υπόψιν. Ωστόσο, δεν έχει συμπεριληφθεί μέχρι στιγμής η επίδραση των CCN που υπολογίζονται με δυναμικό τρόπο στους παραπάνω μηχανισμούς. Συγκρίσεις των προϊόντων του μοντέλου με παρατηρήσεις έδειξαν ότι η προγνωστική ικανότητα του μοντέλου σχετικά με την κατανομή του υετού βελτιώνεται σημαντικά. Αξιοσημείωτη είναι η θετική επίδραση του παραπάνω σχήματος πυρηνοποίησης ακόμα και ημέρες μετά την εκδήλωση της μεταφοράς σκόνης όπου η βροχόπτωση εμφανίζεται ενισχυμένη. Ενίσχυση βροχόπτωσης παρατηρείται και σε περιοχές μακριά από την εκδήλωση των φαινομένων σκόνης. Αντιθέτως, η βροχόπτωση περιορίζεται σε περιοχές και χρονικές περιόδους που δεν απέχουν σημαντικά από τα φαινόμενα μεταφοράς σκόνης. Επιπλέον, παρόλο που στη συγκεκριμένη διατριβή τα σωματίδια σκόνης δεν συμμετέχουν σε παραμετροποιήσεις πυρήνων πάγου (ice nuclei – IN), το εν λόγω σχήμα πυρηνοποίησης συμβάλλει σε μια ικανοποιητική απόκριση μεταξύ αναλογίας μείγματος νεφοσταγόνων και πάγου. Επιπλέον, σε ό,τι αφορά στις οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων σκόνης, το σχήμα πυρηνοποίησης περιορίζει συστηματικά και μέσα τεταραγωνικά σφάλματα. Τέλος, οι συγκρίσεις των συγκεντρώσεων των CCN με μετρήσεις, έδειξαν ικανοποιητικότερους συντελεστές συσχέτισης μετά την εισαγωγή του σχήματος πυρηνοποίησης.