Investigating aerosol effects on stratocumulus clouds through large-eddy simulation

• Clouds have a large impact on Earth’s radiative budget by reflecting, absorbing and re-emitting radiation. They thus play a critical role in the climate system. Nevertheless, cloud radiative effects in a changing climate are highly uncertain. Atmospheric aerosol particles are another factor affecting Earth’s climate but the magnitude of their influence is also associated with high uncertainty. Therefore, an accurate representation of aerosol-cloud interactions in models is critical for having confidence in future climate projections. This thesis investigates aerosol impacts on cloud microphysical and radiative properties through numerical modelling, more specifically large-eddy simulation (LES). Moreover, the thesis investigates how the simulated cloud response to changes in the aerosol population depends on the model description of different processes. Mixed-phase stratocumulus (MPS) clouds are especially problematic to simulate for models on all scales. These clouds consist of a mixture of supercooled water and ice in the same volume and are therefore potentially thermodynamically unstable. MPS clouds over the central (north of 80° N) Arctic Ocean are particularly sensitive to aerosol changes due to the relatively clean atmospheric conditions in this region. At the same time, the clouds also have an important impact on the Arctic surface radiative budget. Therefore, this thesis mostly focuses on Arctic MPS clouds.Simulations of a typical subtropical marine stratocumulus cloud showed that the aerosol-cloud forcing depends on the model treatment for calculating the cloud droplet number concentration (CDNC). The simulated change in the top of the atmosphere shortwave radiation due to increased aerosol number concentrations was almost three times as large when the CDNC was prescribed compared to when the CDNC was prognostic. Simulations of a central Arctic summertime low-level MPS cloud confirmed that the chemical composition and the size of aerosol particles both can play an important role in determining the efficiency of an aerosol to act as cloud condensation nuclei - and thus influence cloud properties. However, the hygroscopicity of the aerosol particle was only important if the particles were small in size (i.e., if they correspond to the Aitken mode size) or if they were close to hydrophobic. Further, it was also found that Aitken mode particles can significantly change microphysical and radiative properties of central Arctic MPS if the concentration of larger particles (i.e., corresponding to the accumulation mode) is less than approximately 10-20 cm-3. One of the most recent research expeditions in the central Arctic (in the summer of 2018) was characterized by a high occurrence of multiple cloud layers. Namely, the boundary layer structure consisted of two MPS, one located close to the surface and one at the top of the boundary layer. Large-eddy simulations of an observed case with this particular cloud structure showed that the two-layer boundary-layer clouds are persistent unless the aerosol number concentrations are low (< 5 cm-3) or the wind speed is high (≥ 8.5 m s-1). In the model, low aerosol numbers led to a dissipation of the upper cloud layer while the lower cloud layer dissipated if the wind speed was strong. Changes in the optical thickness and cloud emissivity of each individual cloud layer of the two-layer cloud structure were found to substantially impact the surface radiative fluxes.

• Moln har en stor betydelse för jordens strålningsbalans. De påverkar både hur stor del av solinstrålningen som reflekteras tillbaka mot rymden, samt bidrar till växthuseffekten. Atmosfären värms upp från jordytan genom direkt värmeöverföring och genom värme som frigörs när moln bildas av att vattenånga övergår till små vattendroppar och/eller iskristaller. Moln spelar alltså en avgörande roll i klimatsystemet. Trots det råder det en stor osäkerhet kring hur molnstrålningseffekten kommer att påverkas i ett förändrat klimat. Molndroppars storleksfördelning och moln-is-kristallers struktur spelar en avgörande roll för molnens strålningsegenskaper. I varje droppe/iskristall finns en mycket liten luftburen aerosolpartikel, också kallad en kondensationskärna, som är cirka en tusendels millimeter i diameter. Utan kondensationskärnor skulle luftens vattenånga inte kunna kondenseras till vattendroppar eller iskristaller och bilda moln. För att moln ska kunna bildas krävs även att de meteorologiska förutsättningarna vind, fuktighet och temperatur är de rätta. På grund av denna komplexitet, är representationen av aerosol- och moln interaktionen en stor utmaning. Denna avhandling undersöker aerosolpåverkan på molnets mikrofysikaliska och strålningsegenskaper genom numerisk modellering, mer specifikt med hjälp av en ”large-eddy simulation”. Dessutom undersöks hur olika modellbeskrivningar påverkar bildningen av molnen och deras livslängd, samt betydelsen av hur många kondensationskärnorna är, hur stora de är och vad de består av. Simuleringarnas syfte är att öka vår kunskap om processerna som kontrollerar och upprätthåller moln typiska för de subtropiska havsområdena och för Norra ishavet.De Arktiska molnen, över Norra ishavet (mellan 80°N - 90°N), består ofta av en blandning av underkylda vattendroppar och iskristaller. Dessa stratusmoln närmast isytan spelar en central roll för det arktiska klimatet genom att reglera energiflöden vid ytan som påverkar hur havsisen fryser och smälter. Den mycket rena luften över ishavet, långt från mänskliga utsläpp, gör också dessa moln känsliga för potentiell en ökning av antalet kondensationskärnor. Att simulera strålningsegenskaperna av denna typ av vatten – och is-moln är därför särskilt utmanande för modeller på alla skalor och utgör huvudfokus i denna avhandling. Ett utmärkande resultat från molnsimuleringarna över Norra ishavet, sommartid, är att de bekräftade att den kemiska sammansättningen och storleken på kondensationskärnorna, bestämmer med vilken effektivitet molndropparna bildas och därmed påverkar molnens egenskaper. Hygroskopiciteten, dvs ett mått på hur kondensationskärnorna drar till sig luftens vattenånga, var emellertid endast viktig om partiklarna var små i storlek (ca 30-50 nanometer, benämnda Aitkenmod-partiklar) eller om de var nära hydrofoba. Vidare fann man också att Aitken-partiklarna signifikant kan förändra strålningsegenskaper hos de hög-Arktiska molnen om koncentrationen av större partiklar i accumuleringsmoden (ca 100 - 200 nanometer) är lägre än ungefär 10-20 per kubikcentimeter. Under en av de senaste forskningsexpeditionerna till hög-Arktis, sommaren 2018, observerades en hög förekomst av dubbla molnskikt; ett närmast isytan på ett par hundra meters höjd och det andra på ca 1000 meters höjd. Vad gäller molnsystemets struktur så visade simuleringarna en god överensstämmelse med observationerna. Vidare visade modellsimuleringarna att molnen kunde bibehållas om inte koncentrationen av kondensationskärnor understeg 5 per kubikcentimeter eller om vindhastigheten var lika med eller överskred 8,5 meter per sekund. Resultaten visade också att variationen i ovan faktorer strålningsegenskaper för vardera av de två molnskikten vilket i sin tur visade sig väsentligt påverka energiflöden vid ishavets yta. Slutligen visade simuleringarna av ett typiskt subtropiskt stratocumulus att olika modellbeskrivningar för aktivering av molndroppar påverkar storleken på moln- och klimat-responsen vid en ökad partikelkoncentration. Med andra ord, resultaten visar att den specifika modellbeskrivningen är av stor betydelse då man simulerar aerosol-moln-interaktioner.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Geovetenskap och miljövetenskap -- Meteorologi och atmosfärforskning (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Earth and Related Environmental Sciences -- Meteorology and Atmospheric Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

aerosol particles

stratocumulus

mixed-phase clouds

cloud microphysics

cloud radiative effects

Arctic

Arctic amplification

LES

aerosolpartiklar

stratusmoln

underkylda vattendroppar och iskristaller

molnmikrofysik

molnstrålningseffekter

Arktis

”large-eddy simulation”

Atmospheric Sciences and Oceanography

atmosfärvetenskap och oceanografi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)