The impact of aerosols on the sensible and latent heat fluxes in Beijing

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112252520
Title: The impact of aerosols on the sensible and latent heat fluxes in Beijing
Author: Murto, Sonja
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Fysiikan laitos
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2017
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112252520
http://hdl.handle.net/10138/228840
Thesis level: master's thesis
Discipline: Meteorology
Meteorologia
Meteorologi
Abstract: In recent decades, rapid urbanization together with industrialization has led to an increase in anthropogenic emissions, resulting in high air pollution concentrations and poor air quality particularly in developing countries, such as in China. Due to both the enhanced environmental and severe public health risks poor air quality is causing and the climate impacts of aerosols, it is of great interest to study and understand aerosol particles and their impact on our surroundings. Aerosols affect the radiative properties of the atmosphere and the surface energy balance. The impact of aerosols on the surface radiative fluxes of the urban surface energy balance is widely known, but the impact on the turbulent energy fluxes, which are important components in the energy balance, has until now remained unclear. To extend the knowledge of aerosol impacts on all the energy balance components, a simple urban land surface model (SUEWS) during the period of 2006-2009 is used, together with aerosol data, Aerosol Optical Depth (AOD), received from an AERONET station located in Beijing. With the use of commonly measured meteorological variables together with parameters defined for the study area of 1 km radius around a meteorological tower, the components of the urban surface energy balance are simulated by the model. For further data analysis, the data are divided into thermal seasons and pollutant categories according to the available AOD-data. Extreme polluted conditions are achieved during 24 % for the time of available AOD-data, additionally showing relatively less situations with poor air quality (8 %) in winter compared to 27 % observed in summer. The aim of this study is to analyse how much aerosol particles can modify the different surface energy balance components, particularly focusing on the turbulent fluxes. The model is evaluated against observed turbulent fluxes in the same tower, showing an overestimation of the sensible heat flux and an underestimation and a better model performance of the latent heat flux. Still, the diurnal behaviour of the fluxes is shown to be well reproduced by the model. The behaviour of the modelled components is further investigated, showing a clear monthly variation for almost all the fluxes contributing to the surface energy balance. The behaviour of the total energy balance is in general controlled by the wet (occurring from May to October) and dry periods, distinguishing the climate in Beijing. The sensible heat flux is the dominant flux in March, accounting for 59 % of the available energy, whereas during the wet periods, higher portion of the available energy is consumed by the turbulent latent heat flux (61 % in August). Adding the effect of aerosols, the results clearly show how the net radiative flux is decreased in poor air quality conditions, giving differences of 138 W/m2 in the median flux due to aerosol loading in the atmosphere. The main finding of this study is that aerosols also influence the turbulent fluxes, with largest aerosol impact on the sensible heat flux occurring during thermal spring (66 W/m2 difference between clean and polluted air conditions). Likewise, in summer, when the latent heat flux is the largest contributor for consuming the available energy, the influence of aerosols is most visible (25 W/m2 difference). This study highlights the importance of maintaining measurements of aerosol concentrations and characteristics of the pollutants over urban areas due to their influence not only on the radiative fluxes, but all the components of the surface energy balance, which can further alter the water circulation and give rise to other environmental risks. These findings can therefore be used in urban planning and issues related to water management and air pollution regulations.Antropogena utsläpp har ökat i och med snabb urbanisering och industrialisering, vilket har skett under de senaste årtionden och gett upphov till dålig luftkvalitet, speciellt i utvecklingsländer, så som in Kina. Dålig luftkvalitet ökar både miljörisker samt orsakar allmänna hälsoproblem, vilket tillsammans med klimatinverkan av aerosoler ökar intresset hos forskare att förstå aerosol partiklar samt hur de påverkar vår omgivning. Ett välkänt fenomen är hur aerosoler påverkar nettostrålningen vid markytan, medan oklarheter uppstår gällande hur de inverkar på de turbulenta energitermerna, som består av sensibla och latenta värmeflöden. Med hjälp av en enkel modell (SUEWS), som kan simulera de olika energitermerna i urbana miljöer, tillsammans med aerosoldata (Aerosol Optical Depth, AOD) från Beijing, försöker jag i min studie utvidga kunskapen gällande aerosolernas inverkan på alla energitermer. Modellen är kompetent att simulera dessa termer med hjälp av allmänna meteorologiska data för forskningsperioden 2006–2009, samt parametrar som på det bästa möjliga sättet motsvarar forskningsområdet, som omfattar en cirkel med 1 km radie runt det meteorologiska tornet i Beijing. För vidare dataanalys delas data i termiska årstider samt i föroreningskategorier enligt tillgänglig AOD-data. Förhållanden med extremt förorenad luft påträffas för 24 % av studietiden. Graden av hur förorenad luften är varierar per årstid, då förhållanden med dålig luftkvalitet förekommer till endast 8 % på vintern jämfört med 27 % under sommaren. Syftet med mitt arbete är därmed att analysera till hur stor grad aerosolpartiklar påverkar de olika energitermerna i markytans energibalans, med speciell betoning gällande de turbulenta termerna. Modellen utvärderas med hjälp av observerade värden av turbulenta energitermerna erhållna av mätningar vid tornet i Beijing. Fastän modellen tydligt övervärderar sensibla värmeflödet och undervärderar latenta värmeflödet, visar det sig att modellen dock klarar av att återskapa dygnsvariationen av energitermerna väl. Beteendet av de simulerade energitermerna undersöks, vilket även framhäver hur termerna tydligt varierar per månad. Klimatet i Beijing, kännetecknat med torr (november till april)- och regnperioder (maj till oktober), bestämmer i stort sett hur de olika turbulenta termerna förhåller sig till varandra. Förnimbara värmeflödet dominerar i mars och står för 59 % av energin som finns tillgängligt, medan en större del av energin förbrukas av latenta värmeflödet under regnperioder (61 % i augusti). Då aerosolernas inverkan tas i beaktan, visar resultaten av denna studie hur nettostrålningen tydligt minskar vid sämre luftförhållanden (maximalt 138 W/m2 skillnad mellan rena och förorenade förhållanden). Huvudforskningsresultatet är dock att aerosolerna även tydligt påverkar de turbulenta energitermerna. Aerosoler påverkar sensibla värmeflödet mest under våren (66 W/m2 skillnad) då även största delen av energin som är tillgängligt förbrukas av samma term. Samma trend påträffas även hos latenta värmeflödet, där aerosolernas inverkan är tydligast på sommaren (25 W/m2 skillnad). Studien framhäver hur viktigt det är att bibehålla information gällande aerosolkoncentrationer i luften samt deras egenskaper i urbana miljöer, eftersom aerosoler inte bara påverkar nettostrålningen, men också alla andra termer i markytans energibalans och kan därmed vidare påverka vattencirkulationen samt öka andra miljörisker i tättbefolkade urbana områden. Resultaten av denna studie kan ytterligare användas som hjälp i urban planering samt ärenden gällande vattenförvaltning och reglering av luftutsläpp.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Masterthesis_SonjaMurto.pdf 5.838Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record