Study of dust aerosol – climate interactions using a regional climate model

Abstract

This PhD dissertation investigates various dust-climate intertwined processes using a regional climate model (RegCM4) that includes a detailed online dust production-transport-deposition scheme. The evaluation of the model is conducted using numerous ground-based gridded observational, satellite-derived and re-analysis datasets such as LIVAS, CRU, ERA-interim, CERES, TRMM and CMSAF. In the first one an encyclopedic description of dust related processes (emission, transport, deposition) is given followed by an analytical description of the online dust scheme of RegCM4. The second chapter describes the observational and modeling datasets used. In the third chapter the sensitivity of dust bin size discretization in the regional climate model RegCM4 for the period 2007-2014 over the Sahara and the Mediterranean is investigated. Two discretization methods of the dust size distribution are applied, keeping the total mass constant: 1) the default RegCM4 4-bin approach, where the size range of each bin is calculated using an equal, logarithmic separation of the total size range of dust, using the diameter of dust particles and 2) a newly implemented 12-bin approach with each bin defined according to an isogradient method where the size ranges are dependent on the dry deposition velocity of dust particles. The new dust binning approach increases the dust column burden by 4% and 3% for fine and coarse particles respectively, which increases DOD by 10% over the desert and the Mediterranean. In the fourth chapter the westward Trans-Atlantic transport of dust from the Sahara towards the South and Central America is simulated using the regional climate model RegCM4 for the period December 2006 to November 2014. According to RegCM4 the total dust deposition for the examined 8 year period is 4.3±0.4 Tg•yr-1, 154.5±10.7 Tg•yr-1 and 10.3±0.6 Tg•yr-1 for the Amazon basin, the Atlantic ocean and the Caribbean respectively. Dry deposition is the dominant deposition process in the Atlantic accounting for 88.9% of the total deposition in contrast to Caribbean where wet deposition accounts for 85.4%. In the Amazon basin dry deposition takes up to 67.4% of total deposition. In the fifth chapter the radiative direct and semi-direct effect of dust is explored using the regional climate model RegCM4 over the Mediterranean, Sahara and Sahel. The simulations cover a historical decade which spans from 1999-01-01 to 2009-11-30 and a future decade that ranges from 2089-01-01 to 2099-11-30. The future atmospheric climate changes are driven by the Representative Concentration Pathway 4.5 (RCP4.5). The results for the historical period show that the direct RE of dust dominates in comparison to the semi-direct RE in both winter and summer, although during summer the semi-direct effect in the longwave spectrum accounts for almost 50% of total radiative effect over some parts of the desert. In the future period the dust concentration are spatially similar to the historical period but enhanced over the desert (+8%). When dust is radiatively active in a future climate simulation it can decrease the summer daily maximum temperature by 0.3°C over Sahel and increase it locally in eastern Sahara and western Sahel up to 0.2°C.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκε το κλιματικό μοντέλο περιοχής RegCM4, για τη μελέτη των διάφορων διεργασιών που αφορούν την ατμοσφαιρική σκόνη και το κλίμα. Το RegCM4 περιλαμβάνει ένα λεπτομερές σχήμα εκπομπής, μεταφοράς και εναπόθεσης της σκόνης. Η αξιολόγηση του μοντέλου πραγματοποιείται με τη χρήση διάφορων δεδομένων παρατήρησης από επίγειους σταθμούς, δορυφορικές μετρήσεις και δεδομένα μοντέλων επ-ανάλυσης (LIVAS, CRU, ERA-interim, CERES, TRMM και CMSAF). Στο πρώτο κεφάλαιο αναλύονται περιγραφικά οι διεργασίες σκόνης που λαμβάνουν μέρος στην ατμόσφαιρα και μια αναλυτική περιγραφή του σχήματος σκόνης που χρησιμοποιεί το RegCM4. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση του RegCM4 και δεδομένων παρατηρήσεων και δορυφορικών μετρήσεων. Το τρίτο κεφάλαιο εξετάζει την ευαισθησία του μοντέλου στον αριθμό των ομάδων μεγέθους σκόνης (bin) που χρησιμοποιεί. Η περίοδος αναφοράς είναι μεταξύ 2007 και 2014 και το χωρικό πεδίο ορισμού περιλαμβάνει την Σαχάρα την Μεσόγειο και ένα τμήμα της Ευρώπης. Δύο μέθοδοι διαχωρισμού των ομάδων μεγέθους σκόνης. Η πρώτη προκαθορισμένη μέθοδος του μοντέλου δημιουργεί 4 ομάδες μεγέθους σκόνης, όπου η έκταση κάθε ομάδες ορίζεται ισο-λογαριθμικά χρησιμοποιώντας την διάμετρο των σωματιδίων σκόνης (4bin-isolog). Στην δεύτερη περίπτωση οι ομάδες σκόνης είναι 12 και η έκταση κάθε ομάδας ορίζεται σύμφωνα με την ταχύτητα ξηρής εναπόθεσης των σωματιδίων σκόνης (12bin-isogradient). Η καινούργια μέθοδος διαχωρισμού των ομάδων σκόνης αυξάνει τις συγκεντρώσεις των μεγάλων και μικρών σωματιδίων σκόνης κατά 4% και 3% αντίστοιχα. Επίσης, αυξάνει το οπτικό βάθος της σκόνης κατά 10% πάνω από την Μεσόγειο και την Σαχάρα. Το τέταρτο κεφάλαιο μελετά την μεταφορά σκόνης από την Σαχάρα προς τον Ατλαντικό και την ήπειρο της Αμερικής χρησιμοποιώντας το κλιματικό μοντέλο περιοχής RegCM4 για την περίοδο Δεκέμβριος 2006 με Νοέμβριο 2014. Το μέσο οπτικό βάθος του μοντέλου προσομοιώνεται ικανοποιητικά, με μια μικρή (0.05) υποεκτίμηση/υπερεκτίμηση για το Νότιο και Βόρειο τμήμα του Ατλαντικού ωκεανού αντίστοιχα. Σύμφωνα με το RegCM4 η συνολική εναπόθεση σκόνης για την 8ετή περίοδο εξέτασης είναι 4.3±0.4 Tg•yr-1, 154.5±10.7 Tg•yr-1 και 10.3±0.6 Tg•yr-1 για την λεκάνη του Αμαζονίου, τον Ατλαντικό ωκεανό και την Καραϊβική αντίστοιχα. Η ξηρή εναπόθεση παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στον Ατλαντικό (88.9%) και την Καραϊβική (85.4%), ενώ η υγρή εναπόθεση είναι αρκετά σημαντική στην λεκάνη του Αμαζονίου (67.4%). Η τρίτη ενότητα αποτελεσμάτων εξετάζει την άμεση και ήμι-άμεση επιρροή της σκόνης στην ακτινοβολία πάνω από την Μεσόγειο, την Σαχάρα και την Σαχέλ για την πρώτη (1999-01-01 εώς 2009-11-30) και την τελευταία (2089-01-01 to 2099-11-30) δεκαετία του 21ου αιώνα. Η μελλοντική κλιματική αλλαγή προσομοιώνεται σύμφωνα με το σενάριο εκπομπών θερμοκηπικών αερίων RCP 4.5. Η άμεση επίδραση της σκόνης στην ακτινοβολία είναι ισχυρότερη από την ήμι-άμεση την ψυχρή και την θερμή περίοδο του έτους, αν και κατά την διάρκεια του καλοκαιριού η ήμι-άμεση επιρροή της σκόνης στην μεγάλου μήκους ακτινοβολίας φτάνει το 50% πάνω ορισμένες περιοχές της ερήμου. Στην μελλοντική δεκαετία οι συγκεντρώσεις της σκόνης και η επίδραση της στην ακτινοβολία, την θερμοκρασία και τα νέφη ενισχύεται. Επίσης, η επίδραση της σκόνης στις μελλοντικές κλιματικές προβολές μειώνει την άνοδο της θερμοκρασία λόγω κλιματικής αλλαγής κατά 0.3°C πάνω από την Σαχέλ και την ενισχύει κατά 0.2°C πάνω από την ευρύτερη περιοχή της Σαχάρας.