Aerosol effects on radiative forcing and regional climate

Abstract

Anthropogenic aerosols (AAs) play a major role in the Earth–atmosphere system by influencing the Earth’s radiative and energy budgets, and, consequently, the climate. In this thesis, the effects of AAs on the Earth’s climate were investigated using state-of-the-art Earth system models (ESMs) participating in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). AA-induced changes in the radiative, energy, and water budgets, temperature, precipitation, clouds, and atmospheric circulation were quantified on global and regional scales throughout the historical period (1850–2014). To that end, sets of CMIP6 historical and time-slice simulations with fixed pre-industrial (1850) and evolving or fixed present-day (2014) emissions of AAs, respectively, were compared to isolate the effects of AAs on the Earth’s climate. Five regions of interest were selected, namely East North America (ENA), West and Central Europe (WCE), the Mediterranean (MED), South Asia (SAS), and East Asia (EAS), to study regional changes due to AAs. Additionally, two periods of interest were selected: 1970–1984, which is the period during which AA emissions peaked in North America and Europe, and 2000–2014, which is the most recent period in CMIP6 simulations and is characterized by AA emission peaks over SAS and EAS, and reductions over ENA and Europe. The difference between the two periods shows the effects of AA emission decreases mainly in North America and Europe due to air pollution control policies, and AA emission increases in Asia. As a result of AA emission trends, aerosol optical depth (AOD) maximized over ENA and Europe in 1970–1984, and declined afterwards, while AOD peaked in 2000–2014 over SAS and EAS. The largest contribution to total AOD change was from sulfates, whereas contributions from black carbon and organic aerosols were significantly smaller. Increased concentrations of (mainly scattering) AAs in the troposphere caused a negative effective radiative forcing (ERF) predominantly over the Northern Hemisphere (NH). ERF was larger in magnitude over emission hotspots and downwind regions. The ERF exerted by sulfates was highly negative and shaped the spatial pattern of ERF due to all AAs. Organic carbon also induced a negative but much weaker ERF, whereas black carbon caused a globally positive ERF. ERF due to aerosol–cloud interactions dominated the total ERF of all AAs and scattering AAs (sulfates and organic carbon) over most of the globe, whereas ERF due to aerosol–radiation interactions dominated the total ERF due to absorbing AAs (black carbon). Total ERF attained its most negative global mean value in 1970–1984, with ENA, Europe, and EAS exhibiting the largest ERFs. In 2000–2014, ERF significantly decreased in magnitude over North America and Europe, while it increased over EAS and SAS. The temporal evolution of ERF throughout the historical period was highly influenced by changes in its shortwave component, driven by interactions between scattering AAs and clouds. This negative ERF resulted in surface cooling over the NH on annual and seasonal scales. The cooling extended to the upper troposphere, especially over the NH mid- and high latitudes. Subsequent AA emission reductions led to surface warming over the NH, which enhanced the warming of greenhouse gases during the last decades. Comparison between CMIP6 ESMs and observational datasets showed that climate models were generally able to capture global and regional air temperature trends over land, although they exhibited a cooling bias during the second half of the 20th century. The AA-induced asymmetrical cooling led to a southward shift of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) in 1970–1984, with precipitation increasing (decreasing) over the southern (northern) tropics. Increased AA emissions relative to the pre-industrial period caused a global precipitation decrease and complex precipitation responses on regional scale. For instance, the South and East Asian summer monsoons weakened. In 2000–2014, the ITCZ shifted northwards, while the South (East) Asian monsoon intensified (weakened further). The intricate effects of AAs on precipitation are reflected on the low level of agreement among ESMs on the response of regional precipitation, as well as the significant discrepancies between ESMs and observations on annual and seasonal scales. Investigation of the atmospheric energy and water budgets showed that changes in global precipitation were balanced by changes in diabatic cooling, while the spatial pattern of local precipitation change were determined by changes in water vapor and dry static energy transport by the mean circulation. Over areas experiencing precipitation increase, dry static energy diverged to balance the energy increase due to latent heat of condensation and, simultaneously, water vapor converged to supply and compensate the amount of water being precipitated. Apart from the radiative effects of AAs, atmospheric circulation changes caused by AAs could modify horizontal and vertical transport of energy and, thus, affect local phenomena through complex ways. For example, in 1970–1984, AAs induced circulation anomalies that enhanced the westerlies over the NH mid-latitudes, intensified the NH subtropical jet stream and caused it to migrate southwards, weakened the East and South Asian monsoon circulation, shifted the Hadley cell towards the south, and generally weakened the jet streams of the Southern Hemisphere. In 2000–2014, the subtropical jet stream of the Northern (Southern) Hemisphere weakened (strengthened), the westerly flow around the polar jets weakened over both hemispheres, the Hadley cell migrated northwards, and the South (East) Asian monsoon circulation recovered (weakened further).

Τα ανθρωπογενή ατμοσφαιρικά αιωρήματα ή αεροζόλ (ΑΑ) παίζουν σημαντικό ρόλο στο σύστημα Γης-ατμόσφαιρας, καθώς επηρεάζουν τα ισοζύγια ακτινοβολίας και ενέργειας της Γης και, ως εκ τούτου, το κλίμα. Στην παρούσα διατριβή, ερευνήθηκαν οι επιδράσεις των ΑΑ στο κλίμα της Γης με τη χρήση μοντέλων συστήματος Γης (Earth system models - ESMs) τελευταίας γενιάς, τα οποία συμμετέχουν στο Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). Οι μεταβολές λόγω των ΑΑ στα ισοζύγια ακτινοβολίας, ενέργειας και ύδατος, στη θερμοκρασία, τη βροχόπτωση, τα νέφη και την ατμοσφαιρική κυκλοφορία ποσοτικοποιήθηκαν σε παγκόσμια και περιοχική κλίμακα για την ιστορική περίοδο (1850–2014). Για τον εν λόγω σκοπό αντλήθηκαν από το CMIP6 ζεύγη προσομοιώσεων και χρονικών τομών του κλίματος της ιστορικής περιόδου, οι οποίες χρησιμοποιούν σταθερές προβιομηχανικές (1850) και εξελισσόμενες ή σταθερές σημερινές (2014) εκπομπές ΑΑ, αντιστοίχως, και συγκρίθηκαν ώστε να απομονωθούν οι επιδράσεις των ΑΑ στο κλίμα της Γης. Επιλέχθηκαν πέντε περιοχές ενδιαφέροντος, και συγκεκριμένα η Ανατολική Βόρεια Αμερική (East North America - ENA), η Δυτική και Κεντρική Ευρώπη (West and Central Europe - WCE), η Μεσόγειος (Mediterranean - MED), η Νότια Ασία (South Asia - SAS) και η Ανατολική Ασία (East Asia - EAS), για να μελετηθούν οι περιοχικές μεταβολές που προκαλούν τα ΑΑ. Επιπλέον, επιλέχθηκαν δύο περίοδοι ενδιαφέροντος: η περίοδος 1970–1984, κατά την οποία κορυφώθηκαν οι εκπομπές ΑΑ στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη, και η περίοδος 2000–2014, η οποία αποτελεί την πλέον πρόσφατη στις προσομοιώσεις του CMIP6 και χαρακτηρίζεται από την κορύφωση των εκπομπών ΑΑ σε SAS και EAS και τη μείωση των εκπομπών σε ENA και Ευρώπη. Η διαφορά των δύο περιόδων δείχνει τα αποτελέσματα της μείωσης των εκπομπών ΑΑ κυρίως σε Βόρεια Αμερική και Ευρώπη, λόγω υιοθέτησης πολιτικών κατά της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, και της παράλληλης αύξησης των εκπομπών στην Ασία. Ως αποτέλεσμα των τάσεων των εκπομπών ΑΑ, το οπτικό βάθος των αεροζόλ (aerosol optical depth - AOD) μεγιστοποιήθηκε σε ENA και Ευρώπη κατά την περίοδο 1970–1984 και μειώθηκε ακολούθως, ενώ κορυφώθηκε την περίοδο 2000–2014 σε SAS και EAS. Η μεγαλύτερη συνεισφορά στη συνολική μεταβολή του AOD έγινε από τα θειϊκά αεροζόλ, ενώ η συνεισφορά του μαύρου άνθρακα και των οργανικών αεροζόλ ήταν σημαντικά μικρότερη. Αυξημένες συγκεντρώσεις (κυρίως σκεδαστικών) ΑΑ στην τροπόσφαιρα προκάλεσαν έναν αρνητικό εξαναγκασμό του ισοζυγίου ακτινοβολίας (effective radiative forcing - ERF) κατά βάση στο Βόρειο Ημισφαίριο (ΒΗ). Το ERF ήταν μεγαλύτερο σε ένταση πάνω από τα επίκεντρα των εκπομπών και τις υπήνεμες περιοχές τους. Το ERF που προκάλεσαν τα θειϊκά σωματίδια ήταν άκρως αρνητικό και διαμόρφωσε τη χωρική κατανομή του ERF των ΑΑ εν συνόλω. Ο οργανικός άνθρακας προκάλεσε, επίσης, ένα αρνητικό, άλλα αρκετά πιο αδύναμο ERF, ενώ ο μαύρος άνθρακας προκάλεσε ένα παγκοσμίως θετικό ERF. Το ERF λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ αεροζόλ και νεφών κυριάρχησε στο συνολικό ERF όλων των ΑΑ και των σκεδαστικών ΑΑ (θειϊκών και οργανικού άνθρακα) στο μεγαλύτερο κομμάτι της Γης, ενώ το ERF λόγω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ αεροζόλ και ακτινοβολίας ήταν κυρίαρχο στο συνολικό ERF των απορροφητικών ΑΑ (μαύρου άνθρακα). Το συνολικό ERF έλαβε την πλέον αρνητική παγκόσμια μέση τιμή του την περίοδο 1970–1984, με την ENA, την Ευρώπη και την EAS να παρουσιάζουν τα μεγαλύτερα ERF. Κατά το 2000–2014, μειώθηκε σημαντικά η ένταση του ERF σε Βόρεια Αμερική και Ευρώπη, ενώ αυξήθηκε σε EAS και SAS. Η χρονική εξέλιξη του ERF κατά την ιστορική περίοδο επηρεάστηκε σημαντικά από τις μεταβολές στη μικρού μήκους κύματος συνιστώσα του, η οποία εξαρτάτο από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ σκεδαστικών ΑΑ και νεφών. Αυτό το αρνητικό ERF είχε σαν αποτέλεσμα την ψύξη της επιφάνειας στο ΒΗ σε ετήσια και εποχική κλίμακα. Η ψύξη εκτεινόταν μέχρι την ανώτερη τροπόσφαιρα, κυρίως στα μεσαία και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη του ΒΗ. Οι μετέπειτα μειώσεις των εκπομπών ΑΑ οδήγησαν σε θέρμανση της επιφάνειας στο ΒΗ, η οποία ενίσχυσε τη θέρμανση λόγω των θερμοκηπικών αερίων κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Η σύγκριση των ESM του CMIP6 με τις παρατηρήσεις έδειξε ότι τα κλιματικά μοντέλα ήταν ικανά να συλλάβουν τις παγκόσμιες και περιοχικές τάσεις της θερμοκρασίας του αέρα πάνω από ξηρά, παρ’ όλο που επέδειξαν μια αρνητική θερμοκρασιακή ανωμαλία κατά το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα. Η ασύμμετρη ψύξη εξ αιτίας των ΑΑ οδήγησε σε μια μετατόπιση της Ενδοτροπικής Ζώνης Σύγκλισης (Intertropical Convergence Zone - ITCZ) προς το νότο κατά την περίοδο 1970–1984, με συνεπακόλουθες αυξήσεις (μειώσεις) στη βροχόπτωση στους νότιους (βόρειους) τροπικούς. Αυξημένες εκπομπές ΑΑ σε σχέση με την προβιομηχανική περίοδο προκάλεσαν μείωση στην παγκόσμια μέση βροχόπτωση και περίπλοκες αποκρίσεις στη βροχόπτωση σε περιοχική κλίμακα. Παραδείγματος χάριν, οι θερινοί μουσώνες της Νότιας και Ανατολικής Ασίας αποδυναμώθηκαν. Κατά το 2000–2014, η ITCZ μετατοπίστηκε βορειότερα, ενώ ο μουσώνας της Νότιας (Ανατολικής) Ασίας ενισχύθηκε (εξασθένισε περαιτέρω). Οι περίπλοκες επιδράσεις των ΑΑ στη βροχόπτωση αντανακλώνται τόσο στο χαμηλό επίπεδο συμφωνίας μεταξύ των ESM αναφορικά με τις αποκρίσεις της περιοχικής βροχόπτωσης όσο και στις σημαντικές ασυμφωνίες ανάμεσα στα ESM και τις παρατηρήσεις σε ετήσια και εποχική κλίμακα. Η μελέτη των ισοζυγίων ενέργειας και ύδατος της ατμόσφαιρας έδειξε ότι οι μεταβολές στην παγκόσμια μέση βροχόπτωση εξισορροπήθηκαν από τις μεταβολές στη διαβατική ψύξη, ενώ οι χωρικές μεταβολές της τοπικής βροχόπτωσης καθορίστηκαν από τις μεταβολές στη μεταφορά υδρατμών και ξηρής στατικής ενέργειας μέσω της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας. Σε περιοχές όπου η βροχόπτωση αυξήθηκε, εκδηλώθηκε απόκλιση ξηρής στατικής ενέργειας για να εξισορροπήσει την αύξηση της ενέργειας λόγω λανθάνουσας θερμότητας συμπύκνωσης και, ταυτοχρόνως, σύγκλιση υδρατμών προς προμήθεια και αναπλήρωση της ποσότητας ύδατος που κατακρημνίστηκε. Εκτός από τις επιδράσεις των ΑΑ στο ισοζύγιο ακτινοβολίας, οι μεταβολές που αυτά προκαλούν στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία δύνανται να τροποποιήσουν την οριζόντια και κατακόρυφη μεταφορά ενέργειας και, ως εκ τούτου, να επηρεάσουν τοπικά φαινόμενα με περίπλοκο τρόπο. Επί παραδείγματι, κατά το 1970–1984 τα ΑΑ προκάλεσαν ανωμαλίες στην κυκλοφορία, οι οποίες ενίσχυσαν τους από δυσμάς ανέμους στα μεσαία γεωγραφικά πλάτη του ΒΗ, ισχυροποίησαν τον υποτροπικό αεροχείμαρρο του ΒΗ και προκάλεσαν την μετατόπισή του προς το νότο, εξασθένισαν τη μουσωνική κυκλοφορία σε Νότια και Ανατολική Ασία, μετατόπισαν τον δακτύλιο του Hadley προς τα νότια και αποδυνάμωσαν τους αεροχειμάρρους του Νοτίου Ημισφαιρίου. Κατά την περίοδο 2000–2014, ο υποτροπικός αεροχείμαρρος του Βορείου (Νοτίου) Ημισφαιρίου αποδυναμώθηκε (ενισχύθηκε), η δυτική κυκλοφορία πέριξ των πολικών αεροχειμάρρων αμφότερων των ημισφαιρίων εξασθένισε, ο δακτύλιος του Hadley μετακινήθηκε προς τα βόρεια και η μουσωνική κυκλοφορία στη Νότια (Ανατολική) Ασία αποκαταστάθηκε (υπέστη περαιτέρω εξασθένιση).