Ανάπτυξη αλγόριθμων για την εκτίμηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ σωματιδιακών ρύπων και νεφικών σχηματισμών

Abstract

This work addresses the links and feedbacks between airborne particles, cloud processes and precipitation. For this purpose the Integrated Community Limited Area Modeling System (ICLAMS) has been developed as an extended version of the Regional Atmospheric Modeling System, RAMS. The use of this model allows one to investigate the interactions of the aerosols with cloud development. Simulations on the development of precipitation in clean (“pristine”) and polluted (“hazy”) environments show that the onset of precipitation in hazy clouds is delayed compared to pristine conditions. Adding small concentrations of GCCN to polluted clouds promotes early-stage rain while the addition of GCCN to pristine clouds has no effect on precipitation amounts. Also, topography was found to be more important for the distribution of precipitation than aerosol properties. Increasing by 15% the concentration of hygroscopic dust particles for a case study over the Eastern Mediterranean resulted in more vigorous convection and more intense updrafts. The clouds that were formed extended about three kilometers higher, delaying the initiation of precipitation by one hour. Prognostic treatment of the aerosol concentrations in the explicit cloud droplet nucleation scheme of the model, improved the model performance for the twenty-four hour accumulated precipitation. The spatial distribution and the amounts of precipitation were found to vary greatly between the different aerosol scenarios. These results indicate the large uncertainty that remains and the need for more accurate description of aerosol feedbacks in atmospheric models and climate change predictions. Additional model applications over NW Africa and sub-Saharan areas suggest the importance of convectively driven density currents in dust production. The evaporation of rain droplets when falling through the warmer and unsaturated air is responsible for the formation of a cool pool that propagates horizontally with relatively high speed. The dust mobilization and transport is enhanced in two ways: The first is the effective vertical transport in front of the density current of pre-excisting dust particles. The second is the enhancement of the dust production inside of the density current due to high turbulence.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στη φύση μεταξύ των αιωρούμενων σωματιδίων και των νεφών (aerosol indirect effect). Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο ατμοσφαιρικό μοντέλο υψηλής ανάλυσης με τη βοήθεια του οποίου διεξήχθησαν συγκεκριμένες προσομοιώσεις των διεργασιών αυτών στην ατμόσφαιρα. Ο ρόλος των αιωρούμενων σωματιδίων βρέθηκε να είναι ιδιαίτερα σημαντικός για τον καθορισμό των μικροφυσικών χαρακτηριστικών των νεφών. Τα σύννεφα που αναπτύσσονται σε περιβάλλον με μικρή συγκέντρωση σωματιδίων παράγουν κατά κανόνα μεγαλύτερα ποσά υετού ενώ τα νέφη που αναπτύσσονται σε περιβάλλον πλούσιο σε σωματίδια παρουσιάζουν μεγαλύτερη κατακόρυφη ανάπτυξη και περιέχουν υψηλότερες συγκεντρώσεις σωματιδίων πάγου. Για την ενεργοποίηση του μηχανισμού βροχόπτωσης καθώς και για τον καθορισμό του ύψους βροχής αλλά και της χωρικής διασποράς του υετού βρέθηκε ότι εξίσου σημαντικό ρόλο διαδραματίζουν και τα δυναμικά χαρακτηριστικά των νεφών τα οποία επηρεάζονται από τη μορφολογία του εδάφους. Η μεταφορά σκόνης από την Αφρική προς τη Μεσόγειο και τη Νότια Ευρώπη παίζει σημαντικό ρόλο για την εξέλιξη των συστημάτων στην περιοχή. Η αλληλεπίδραση της σκόνης με άλλα σωματίδια, όπως για παράδειγμα το θαλασσινό αλάτι, διαμορφώνει τη σύσταση και τις συγκεντρώσεις των πυρήνων συμπύκνωσης και τελικά επηρεάζει την εξέλιξη των νεφών και τα χαρακτηριστικά του υετού. Η χρήση της δυνατότητας για ταυτόχρονο υπολογισμό στο μοντέλο των παραγόμενων σωματιδίων και του μηχανισμού υγροποίησης των νεφοσταγόνων βελτίωσε τους στατιστικούς δείκτες του μοντέλου. Εντούτοις, η αβεβαιότητα στον υπολογισμό του παραγόμενου υετού η οποία προέρχεται από την αβεβαιότητα ως προς τη σύσταση και την κατανομή των πυρήνων συμπύκνωσης βρέθηκε ότι είναι ιδιαίτερα σημαντική και συμβάλει στη διαφοροποίηση των τοπικών κλιματικών χαρακτηριστικών. Η παραγωγή σωματιδίων σκόνης ενισχύεται από τα ρεύματα πυκνότητας τα οποία παράγονται από καταιγίδες τοπικής ή μέσης κλίμακας. Ο μηχανισμός αυτός βρέθηκε ότι είναι αρκετά σημαντικός για τον υπολογισμό του φορτίου σκόνης στην ατμόσφαιρα ειδικότερα για την ΒΔ Αφρική και τις υποσαχάριες περιοχές. Η ανάπτυξη ρευμάτων πυκνότητας σε αυτές τις περιοχές ευθύνεται για την παραγωγή εκτεταμένων μετώπων σκόνης λόγω της αυξημένης τύρβης και των ανοδικών κινήσεων που επικρατούν στην αιχμή αυτών των συστημάτων.