Analysis of the aerosol-radiation-cloud interactions through the use of regional climate/chemistry coupled models
Authors:   , Baró Esteban Rocío 
Published: July 2023

The response of the climate systems to aerosols and their effect on the radiative budget of the Earth is the most uncertain climate feedback and one of the key topics in climate change mitigation. Air quality-climate studies (AQCI) are a key, but uncertain contributor to the anthropogenic forcing that remains poorly understood. To build confidence in the AQCI studies, regional-scale integrated meteorology-atmospheric chemistry models are in demand. The main objective of the present Thesis is the characterization of the uncertainties in the climate-chemistry-aerosol-cloud-radiation system associated to the aerosol direct and indirect radiative effects caused by aerosols over Europe, employing an ensemble of fully-coupled climate and chemistry model simulations. The first topic covered deals with the microphysics parameterization configuration of an online-coupled model. The differences when using two microphysics schemes within the Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry (WRF-Chem) model are analyzed. The evaluated simulations come from the Air quality Model Evaluation International Initiative (AQMEII) Phase 2. The impact on several variables is estimated when selecting Morrison vs. Lin microphysics. The results showed smaller and more numerous cloud droplets simulated with the Morrison and therefore this scheme is more effective in scattering shortwave radiation. Also, the impact of biomass burning (BB) aerosols on surface winds during the Russian heat wave and wildfires episode is studied. The methodology consists of three WRF-Chem simulations over Europe, run under the context of EuMetChem COST Action ES1004, differing in the inclusion (or not) of aerosol-radiation (ARI) and aerosol-cloud interactions (ACI). These aerosols can affect surface winds where emission sources are located and further from the release areas. Local winds decrease due to a reduction of shortwave radiation at the ground, which leads to decreases in 2-m temperature. Atmospheric stability increases when considering aerosol feedbacks, inducing a lower planetary boundary layer height. This Dissertation also investigates the ability of an ensemble of simulations to elucidate the aerosol-radiation-cloud interactions. An assessment of whether the inclusion of atmospheric aerosol radiative feedbacks during two aerosol case studies of an ensemble of on-line coupled models improves the simulation results for maximum, mean and minimum 2-m temperature is done. The simulations (COST Action ES1004) are evaluated against observational data from E-OBS database. In both episodes, a general underestimation of the studied variables is found, being most noticeable in maximum temperature. The biases are improved when including ARI or ARI+ACI in the dust case. Although the ensemble does not outperform the individual models (in general), its improvements when including ARI+ARI are more remarkable. Last, an improvement of the spatio-temporal variability and correlation coefficients when aerosol radiative effects are included is found. Finally, the representation of the ACI in regional-scale integrated models when simulating the climate-chemistry-cloud-radiation system is analyzed. It complements the temperature analyses. The evaluated simulations are run in the context of AQMEII Phase 2 and include the ARI+ACI interactions. Simulations are evaluated against the (ESA) Cloud_cci data. Results show an underestimation(overestimation) of cloud fraction (CFR) over land(ocean) areas, which could be related to satellite retrieval missing thin clouds. Lower bias and mean absolute error (MAE) are found in the ensemble Cloud optical depth (COD) and cloud liquid ice path (CIP) are generally underestimated. The differences are related to microphysics. The development of this Thesis has contributed to the state of the art in AQCI studies. Although including aerosol feedbacks does not modify the bias, the spatio-temporal variability and correlation coefficients are improved.

Los procesos climáticos que representan mayor incertidumbre respecto a la modificación del balance radiativo terrestre son los relacionados con los aerosoles atmosféricos. Por tanto, representa uno de los temas clave a la hora de establecer políticas de mitigación del cambio climático. Los estudios de las interacciones calidad del aire/clima (AQCI) son por tanto de especial relevancia, contribuyendo a su vez a la comprensión de las incertidumbres asociadas a los forzamientos antropogénicos. Con el fin de crear confianza en los estudios de AQCI, un campo científico de especial interés, el uso de modelos meteorológicos y químicos de escala regional acoplados está en alza. En este contexto, el principal objetivo de esta Tesis es la caracterización de las incertidumbres del sistema climaquímica-aerosol-nubes-radiación, asociadas a los efectos radiativos directo e indirecto causados por los aerosoles sobre Europa. El primer aspecto tratado es la configuración del modelo acoplado, relacionado con la parametrización de la microfísica. Se han estudiado y analizado las diferencias al usar dos esquemas de microfísica diferentes con el modelo meteorológico acoplado con la química (WRF-Chem). Las simulaciones estudiadas han sido realizadas bajo la segunda fase de la iniciativa internacional sobre evaluación de la modelización de la calidad del aire (AQMEII). Se ha estimado el impacto de varias variables bajo los siguientes esquemas de microfísica: Morrison versus Lin, sobre periodos de tres meses durante el 2010 en Europa. Los resultados obtenidos muestran que la parametrización Morrison simula gotas de nube más pequeñas y más numerosas, siendo por tanto más efectivo a la hora de dispersar la radiación de onda corta. Así mismo, se han estudiado los efectos de los aerosoles procedentes de la quema de biomasa (BB) sobre los vientos en superficie durante la ola de calor y fuegos de Rusia. La metodología consiste en tres simulaciones con el modelo WRF-Chem sobre Europa, realizadas bajo la iniciativa EuMetChem COST Action ES1004. Éstas difieren en la inclusión (o no) de las interacciones aerosol-radiación y aerosol-nubes (ARI y ACI). Los resultados muestran que estos aerosoles pueden afectar los vientos en superficie no solo sobre la fuente de emisión sino también alejados de ella. Los vientos locales disminuyen debido a que la radiación de onda corta que llega a la superficie se reduce, lo que supone un descenso en la temperatura a dos metros. Además, la estabilidad atmosférica aumenta cuando se tienen en cuenta las realimentaciones producidas por los aerosoles sobre la meteorología, provocando una menor altura de la capa límite planetaria. Finalmente, esta Tesis evalua la representación de las interacciones ACI en modelos de escala regional acoplados complementando el análisis colectivo de temperatura. Las simulaciones analizadas se llevaron a cabo bajo la segunda fase de AQMEII (Europa,2010) e incluyen las interacciones ARI+ACI. Las simulaciones son evaluadas frente datos de la Agencia Espacial Europea (ESA) del proyecto Cloud de la iniciativa sobre cambio climático (CCI). La variable fracción de nubes (CFR) se subestima(sobreestima) sobre tierra(océano), lo que puede ser debido a que los satélite infraestiman las nubes finas sobre el océano. El bias y el error absoluto medio (MAE) son menores al considerar el promedio del conjunto de simulaciones. En general, la profundidad óptica de la nube (COD), así como el camino de hielo líquido en la nube (CIP) son subestimadas sobre todo el dominio. Las diferencias encontradas entre los modelos se deben a los diferentes esquemas de microfísica empleados. El desarrollo de esta Tesis ha contribuído al estado del arte de los estudios sobre AQCI. A pesar que incluir las realimentaciones de los aerosoles no contribuye a la mejora del sesgo de los modelos, hay una mejora en la variabilidad espacio-temporal y los coeficientes de correlación. Son necesarios más estudios para mejorar su representación.