Authors:	Chang, Di
Title:	Regime dependence of aerosol effects on the formation and evolution of pyro-convective clouds
Online publication date:	1-Feb-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Verbrennung von Biomasse ist wichtige Quellen von atmosphärischen Aerosolpartikeln, die als wirksame Wolkenkondensationskeime (CCN) und Eiskerne (IN) dienen könnte, wodurch die Wolkenbildung und Niederschlagsbildung beeinflussen. Als eine extreme Auswirkung der Verbrennung von Biomasse bilden sich die Feuerwolken direkt über dem Feuer, was große Mengen an Wasserdampf, Aerosolpartikel und andere Spurengase in die obere Troposphäre und untere Stratosphäre (UT/LS) transportiert. Die Feuerwolken bieten ein gutes Beispiel mit denen man Wechselwirkungen zwischen Aerosol und Wolken untersuchen kann, da sie Regen, Hagel, Blitze, extreme Windgeschwindigkeiten in niedrigen Atmosphärenschichten und manchmal sogar Tornados hervorrufen. Eine jüngste Paketmodel-Studie zeigte drei deterministische Regmie der anfänglichen Wolkentropfenbildung, die durch verschiedene Verhältnisse von CCN zu Aufwindgeschwindigkeit charakterisiert sind. Diese Studie lässt jedoch offen wie sich diese Regime während der Wolkenbildung entwickeln. Um diese Frage zu untersuchen haben wir das Active Tracer High Resolution Atmospheric Model (ATHAM) mit kompletter Mikrophysik benutzt und die Modelsimulation von der Wolkenbasis zur ganzen Säule einer einzigen Feuer-Mischphasen-Wolke ausgeweitet. Eine Serie von 2-D-Simulationen (über 1000) wurde über einen großen Bereich von CCN und dynamischen Bedingungen durchgeführt. Die integrierte Konzentration von Hydrometeoren über den gesamten räumlichen und zeitlichen Maßstab wurde für die Beurteilung der Aerosol- und dynamischen Effekte benutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die drei Regime der Aktivierung der Wolkenkondensationskeime (CNN) im Paketmodel (namentlich Aerosol begrenztes, Aufwind begrenztes und Übergangs-Regime) weiterhin in unserer Feuerwolkensimulation für die Wolken-anzahlkonzentration existieren aber die Nettoproduktion von Regentropfen und gefrorenen Partikeln findet hauptsächlich im Aufwind begrenzten Regime statt. Um den IN-effekt auf die Eigenschaften der Feuerwolken zu prüfen, wurde eine auf der klassischen Theorie basierenden Eisnukletionparameterisierung (mit Immersions- und Depositionsgefrieren) in unser Wolkenmodel eingebaut um den ursprünglichen aerosolunabhängigen Eisnukleationsprozess zu ersetzen. Die Ergebnisse vom Originalmodel und des neu entwickelten Models stimmen unter der Standardkonfiguration gut überein. Tausende Simulationen mit unterschiedlichen IN-Ausgangsdichten und Aufwinden wurden durchgeführt, was bei der Untersuchung, ob das Ansprechen der Hydrometeoren auf IN und dynamisches Vorantreiben kontinuierlich ist, hilfreich ist. Für die simulierten Feuerwolken gilt, dass mehr IN zu wirksamerer heterogener Gefrierungsnukleation führt; jedoch ist der Anteil des gefrorenen Wassers negativ mit der IN-variation korreliert, da weniger homogene Keimbildung auftritt. Daneben spielen IN auch eine negative Rolle, da sie durch Wasserdampfdeposition zu einem verstärkten Wachstum der Eiskristalle auf Kosten von Wolkentropfen führen. Im Gegensatz zu CCN, führt eine erhöhte Anzahl von IN zu einem leichten Anstieg von Regentropfen und des Niederschlages. Des Weiteren wurde die Wolkenentwicklung bei gleichzeitiger Erhöhung von IN und CCN untersucht. Generell gilt, dass der CCN Effekt in der Wolkenmikrophysik dominierend ist. Die Methode der Prozessanalyse (PA) wurde, mit dem Ziel den Beitrag relevanter mikrophysikalischer Prozesse einzelner Hydrometeore zu untersuchen, in die ATHAM-Modellkonfiguration integriert. Mit dieser Methode kann gezeigt werden, dass sogar die Abhängigkeit der Hydrometeore von Aerosolpartikeln bei unterschiedlichen dynamischen Bedingungen sehr einheitlich erscheint, jedoch die zugrundeliegenden Mechanismen komplett unterschiedlich sein können. Zum Beispiel kann eine Erhöhung der CCN, sowohl für einen starken als auch einen schwachen Auftrieb, eine Verringerung von Regentropfen zur Folge haben. Für einen schwachen Auftrieb sind Akkretion und Autokonversion von Wolkentropfen die wichtigsten Quellen von Regenwasser. Im Gegensatz dazu stellt für starke Aufwinde das schmelzen von gefrorenen Partikeln die dominante Quelle von Regenwasser dar. Die Untersuchung des kombinierten Effektes von CCN und IN zeigt, dass der Einfluss der CCN auf die Wolkeneigenschaften durch den gegensätzlichen Einfluss der IN geschwächt oder sogar umgekehrt wird. Dies wird speziell für gefrorene Partikel offensichtlich, deren Anzahlkonzentration durch CCN positiv beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu würde die Anzahlkonzentration im Fall einer Erhöhung der IN geringer. Daraus resultiert, dass eine gleichzeitige Erhöhung von IN und CCN zu einer Unabhängigkeit der gefrorenen Partikel von der anfänglichen Aerosolkonzentration führt. Die große Anzahl an Simulation in Kombination mit PA hat das Potenzial die zugrundeliegenden Wolkenprozesse in Bezug auf Entwicklung und Eigenschaften detailliert zu untersuchen. Die nichtlinearen Eigenschaften des Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen Herausforderung die Schlussfolgerungen aus begrenzten Fallstudien im Hinblick auf ihre Repräsentativität und Ensemble Studien über einen weiten Bereich der Aerosolkonzentration und anderen Einflussfaktoren gezogen werden dringend für eine robustere Beurteilung der Aerosoleffekte empfohlen. In der vorliegenden Arbeit wurden detailliert die Sensitivitäten von pyro-konvektiven Wolken auf Änderungen von CCN und IN für ein breites Spektrum dynamischer Bedingungen unter Verwendung eines wolkenauflösenden Modells untersucht. In das bereits vorhandene Modell ATHAM wurde ein PA Modul zur Untersuchung des Beitrags unterschiedlicher mikrophysikalischer Prozesse und eine Aerosol-abhängige Parametrisierung der heterogenen Eisnukleation integriert. Es konnte klar gezeigt werden, dass das atmosphärische Aerosol als CCN oder IN eine mediume Rolle in der Mikrophysik pyro-konvektiver Wolken spielt. Ähnliche Änderungsraten für unterschiedliche dynamische Bedingungen können aus unterschiedlichen mikrophysikalischen Prozessketten resultieren. Weitere Modellstudien dieser Art werden benötigt um zu untersuchen, ob die Rückschlüsse auch auf andere Wolkenarten und längere Zeitskalen übertragen werden können. Biomass burning is a significant source of atmospheric aerosol particles, which could serve as effective cloud condensation nuclei (CCN) and ice nuclei (IN), thereby affecting the formation of clouds and precipitation. As an extreme consequence of biomass burning, pyro-convective clouds develop directly above the fire, which transports massive amounts of water vapor, aerosol particles and other trace gases to the upper troposphere and lower stratosphere (UT/LS). The pyro-cloud provides a good example with which to study aerosol–cloud interactions, as it involves rainfall, hail, lightning, extreme winds at the surface, and in some cases even tornadoes. A recent parcel model study showed three deterministic regimes of initial cloud droplet formation, characterized by different ratios of CCN to updraft velocities. This analysis, however, left an open question how these regimes evolve during the subsequent cloud development. To address this issue, we employed the Active Tracer High Resolution Atmospheric Model (ATHAM) with full microphysics and extended the model simulation from the cloud base to the entire column of a single pyro-convective mixed-phase cloud. A series of two-dimensional simulations (over 1000) were performed over a wide range of CCN and dynamic conditions. Fire forcing which induced updraft velocities was used to represent the dynamic parameter. The integrated concentration of hydrometeors over the full spatial and temporal scales was used to evaluate the aerosol and dynamic effects. The results show that the three regimes for cloud condensation nuclei (CCN) activation in the parcel model (namely aerosol-limited, updraft-limited, and transitional regimes) still exist within the pyro-convection simulations for cloud number concentration, but the net production of raindrops and frozen particles occurs mostly within the updraft-limited regime. To evaluate the IN effect on the properties of pyro-convective clouds, a classical-theory-based ice nucleation parameterization (including immersion and deposition freezing) was implemented in the cloud-resolving ATHAM model to replace the original aerosol-independent ice nucleation scheme. A comparison between the results derived from original model and newly-developed model has been performed, which shows good agreement under standard configuration. Thousands of simulations with different initial IN densities and fire forcing were conducted, which is helpful to study whether the responses of the hydrometeors to IN and dynamic forcing have continuity. It is found that for the simulated pyro-convective clouds more IN leads to more efficient heterogeneous freezing nucleation; however, the total frozen water content is insensitive to the variation in IN. IN plays a negative role in the cloud water content, which is due to the enhanced growth of ice embryos by vapor deposition that is at the expense of cloud droplet. The IN effect on raindrops and surface precipitation is very small, which can slightly increase rain water and precipitation under strong fire forcing condition. In addition, we have also examined the cloud development through the simultaneous enhancement in CCN and IN. In general, the CCN effect is dominant in cloud microphysics relative to IN. Furthermore, the process analysis (PA) method has been included in the model configuration, with the aim to assess the contribution of the relevant microphysical processes involving individual hydrometeor. It is found that even the dependence of each hydrometeor on aerosols under different dynamic conditions seems similar, but the underlying mechanisms could be completely different. For instance, independently enhancing CCN could cause a decrease in rain water whether updrafts are weak or strong. However, the main source of rain water content under weak updraft condition is from autoconversion and accretion of cloud droplets; while most of rain water for the latter case with strong updrafts is through melting process from frozen particles. In addition, the investigation of the joint effects of CCN and IN demonstrates that the CCN influence on the cloud properties could be weakened or even counteracted by the opposite impact of IN. This is especially obvious for the total frozen particles: CCN plays a positive role in the number concentration of frozen particles, which would decrease as IN increases. As a result, simultaneous enhancement in both CCN and IN leads to the insensitivity of frozen particles to the variation in initial aerosol concentrations. The enormous simulations in combination with PA method will in-depth unravel how the underlying processes inside a cloud system influence the cloud development and properties. The nonlinear properties of aerosol-cloud interactions challenge the conclusions drawn from limited case studies in terms of their representativeness, and ensemble studies over a wide range of aerosol concentrations and other influencing factors are strongly recommended for a more robust assessment of the aerosol effects. In summary, this thesis investigates in detail the sensitivities of pyro-convective clouds to the variations in CCN and IN under a wide range of dynamic conditions by using a cloud-resolving model. The existing model is modified to include a PA module to evaluate the contribution of microphysical processes, and an aerosol-dependent heterogeneous ice nucleation parameterization. It is clearly shown that atmospheric aerosols, by acting as CCN and IN, could influence the microphysics of pyro-convective clouds, and hence the cloud properties. However, the similar change trends under different dynamic conditions may result from distinct chain of microphysical processes. Further modeling studies of this kind are required to determine whether this conclusion applies to other cloud types and over longer time scales.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2829
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000001559
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 149 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen