From turbulence to cloud formation : modelling the aerosol-cloud interactions

Abstract

Clouds, aerosols and the interactions between them are some of the most important uncertainties in climate modelling. The scales of spatial variability related to clouds are generally too small to be resolved using a typical climate model grid resolution. This work comprises studies about the small-scale variability of the vertical wind component, which significantly contributes to the process of cloud droplet formation. In addition, more elaborate methods for describing the small-scale variability of cloud properties in climate models are developed. The key questions that are investigated include: 1) What are the statistical properties of the turbulent vertical wind variability in the boundary layer and can they be represented accurately by atmospheric models? 2) How does parameterizing the small-scale variability in cloud microphysical processes affect the simulated cloud properties in climate models? 3) How does accounting for the small-scale variability in cloud properties affect the model-based estimates of the aerosol indirect radiative effects?

The most important tool used in this work was the ECHAM5-HAM2 aerosol-climate model. The model simulates not only the atmospheric circulation and thermodynamics, but also the global distribution of aerosols and the physical processes between particles that affect the aerosol particle population. This allows the model to represent the interactions between clouds and aerosols. In addition, parts of this work also make use of measurement data based on remote sensing methods as well as high-resolution output from a numerical weather prediction model.

The results show that the small-scale variability of the vertical wind associated with cloud droplet formation must be parameterized even in models with relatively high grid resolution. This highlights especially the importance of such methods for lower-resolution climate models. The variability of vertical wind can be described using a probability density function (PDF), the shape of which may vary significantly depending on the atmospheric conditions. The intricacies of the PDF include many uncertainties which can only be reduced by more extensive observations. With a simplified representation of the vertical velocity PDF, a new version of the climate model is constructed in this work, which can be used to study the climate effects due to the small-scale variability in vertical wind and clouds. It is noted that earlier methods that try to account for the variability in vertical velocity and cloud formation are somewhat insufficient. More attention should be paid on treating the small-scale variability self-consistently for entire chains of processes rather than separately for individual processes. This was accomplished in this work with the newly developed method, comprising the chain of processes from cloud formation to radiative transfer. The new method has a strong impact on the number of cloud droplets and drizzle formation as compared to the default model version, where the small-scale variaiblity of clouds is not as accurately accounted for. Moreover, the response of the model-simulated cloud properties to anthropogenic changes in aerosol emissions is found to be considerably weaker in the new model version than in the default model version. In effect, when compared with the default model version, the aerosol indirect radiative effect estimated with the new model version is closer to the best observation-based estimate. The results of this work contribute to improving our understanding of the aerosol-cloud interactions and to guide the work towards further reducing the uncertainties related to modelling clouds and climate.

Pilvet ja aerosoli-pilvi-vuorovaikutukset ovat huomattava epävarmuustekijä ilmaston mallinnuksessa. Pilvien ominaisuuksissa on paljon suhteellisen pienen mittakaavan vaihteluita, joiden kuvaamiseen ilmastomallien laskentahilan erotuskyky on liian heikko. Tässä työssä tutkitaan pilvipisaroiden syntyprosessiin vaikuttavien ilman pystyvirtausten pienimittaista vaihtelua sekä kehitetään pilvien pienimittaisten vaihteluiden kuvausta ilmastomalleissa. Tutkimuksilla pyritään vastaamaan kolmeen ydinkysymykseen: 1) Mitkä ovat ilmakehän alaosissa esiintyvien pilviin vaikuttavien pystyvirtausten vaihteluiden tilastolliset ominaisuudet ja voidaanko ne esittää ilmakehämalleissa? 2) Miten pilvien pienimittaisen vaihtelun parametrisointi vaikuttaa ilmastomallin simuloimien pilvien ominaisuuksiin? 3) Miten pilvien pienimittaisten vaihteluiden parametrisointi vaikuttaa aerosolien epäsuoran säteilypakotteen ilmastomallipohjaisiin arvioihin?

Tutkimuksen tärkein työkalu on ECHAM5-HAM2 aerosoli- ilmastomalli, joka simuloi ilmakehän kiertoliikkeen ja termodynaamiset ominaisuudet. Lisäksi malli kuvaa myös aerosolihiukkasten maantieteellisen jakauman sekä hiukkasten välillä tapahtuvat fysikaaliset prosessit, mikä mahdollistaa aerosolien ja pilvien välisen kytkennän tarkastelun. Ilmastomallin lisäksi työssä hyödynnetään myös kaukokartoitukseen perustuvia mittauksia sekä huomattavasti tarkemman erotuskyvyn omaavaa säänennustusmallia.

Työssä saatujen tulosten valossa on selvää, että ilman pystyliikkeiden vaihtelut on kuvattava parametrisaatioiden avulla suhteellisen korkeankin erotuskyvyn omaavissa ilmakehämalleissa. Karkeahilaisissa ilmastomalleissa tämä on vieläkin tärkeämpää. Pystyliikkeiden vaihtelua kuvaavien todennäköisyysjakaumien muoto voi vaihdella olosuhteiden mukaan huomattavasti ja niiden yksityiskohdat sisältävät paljon epävarmuuksia, joiden pienentämiseen tarvittaisiin entistä kattavampia havaintoja. Käyttämällä yksinkertaistettua kuvausta pystyliikkeiden vaihtelun todennäköisyysjakaumasta työssä rakennetaan uusi versio ilmastomallista, jonka avulla ilman pystyliikkeissä ja pilvissä esiintyvien pienimittaisten vaihteluiden merkitystä pilvien ilmastovaikutuksiin voidaan tutkia. Aiemmat menetelmät ilman pystynopeuden vaihteluiden käsittelyyn ovat osin riittämättömiä: pienimittaiset vaihtelut tulisi huomioida yhtenäisellä tavalla kokonaisille prosessiketjuille yksittäisten prosessien sijaan. Uudessa malliversiossa tämä pystyttiin toteuttamaan pilvien osalta aina pilvipisaroiden muodostumisesta säteilynkulun laskentaan asti. Uusi menetelmä vaikutti huomattavasti pilvipisaroiden määrään ja sateenmuodostusprosesseihin verrattuna aiempaan malliversioon, jossa pilvien pienimittaista vaihtelua ei kuvata yhtä tarkasti. Lisäksi uuden malliversion simuloimien pilvien vaste ihmisen toiminnan seurauksena lisääntyneille aerosolipitoisuuksille oli selvästi aiempaa malliversiota heikompi. Tämän johdosta mallin arvio aerosolien epäsuorasta säteilypakotteesta saatiin aiempaa lähemmäs havaintoihin perustuvaa parasta arviota. Saadut tulokset auttavat osaltaan ymmärtämään aerosolien ja pilvien välisiä vuorovaikutuksia aiempaa paremmin ja pienentämään ilmaston mallinnukseen liittyviä epävarmuuksia.