Aerosol-Cloud-Precipitation Interactions - Studied using combinations of remote sensing and in-situ data

Abstract

Cloud droplets never form in the atmosphere without a seed in the form of an aerosol particle. Changes in number concentrations of aerosol particles in the atmosphere can therefore affect the number of droplets in a cloud. Higher concentrations of aerosol particles in the atmosphere lead to clouds with more droplets and if the amount of liquid water in the clouds stay the same, the droplets become smaller. Clouds with more, smaller droplets reflect more sunlight and may take longer to produce precipitation. In the research presented in this thesis, satellite data of clouds are combined with a range of other datasets to investigate how sensitive the cloud properties are to changes in the concentration of aerosol particles.

Cloud droplets were found to be smaller in low-level clouds formed in air with higher aerosol number concentrations over the ocean north of Scandinavia. This was also true for low-level and convective clouds over land in Sweden and Finland. The results regarding cloud optical thickness (COT), which is a measure of how much light a cloud reflects, was not as conclusive. For the low-level clouds over the ocean, the COT was higher in air masses with higher aerosol number concentrations. Differences in meteorological conditions in the clean and polluted air masses may however explain some of the differences in COT. The low-level and convective clouds over land did not show any significant changes in COT with varying aerosol number concentrations. This may be caused by changes in cloud dynamics due to the smaller droplets in the clouds. Hence, the indirect aerosol effect could not be observed for clouds studied over land.

The precipitation intensity from the clouds over land and how this varied with changing aerosol loading was also investigated. For both low-level and convective clouds, the precipitation was found to decrease somewhat with increasing aerosol number concentrations. However, for the convective clouds, this relationship only appeared when the clouds were sorted according to vertical extent, as higher convective clouds tend to produce heavier precipitation.

How cirrus clouds at midlatitudes in the northern hemisphere are affected by the mass concentration of particulate sulphate present in the lowermost stratosphere (LMS) was investigated using satellite data. Changes in the LMS particle levels were caused by explosive volcanos that emit gases and particles into the stratosphere. Due to subsidence in the stratosphere at midlatitudes, the volcanic sulphate eventually enters the upper troposphere, increasing its sulphate concentration. The reflectance of the cirrus clouds decreased when there were more sulphate particles present in the LMS. Cirrus clouds warm the climate and a decrease in their reflectance hence cools the climate.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den här avhandlingen handlar om hur moln påverkas av luftburna partiklar, så kallade aerosolpartiklar. Moln bildas i atmosfären när vatten övergår från gasfas till vätskefas, det vill säga när vattenånga kondenserar. För att molndroppar ska kunna bildas krävs dock aerosolpartiklar, som vattenångan kan kondensera på. Antalet partiklar i luften kan därigenom påverka hur många molndroppar som bildas i ett moln.

När vi släpper ut avgaser, från till exempel bilar, släpper vi ut växthusgaser men även aerosolpartiklar i luften. Sedan den industriella revolutionen har vi således ökat antalet partiklar i luften, vilket i sin tur leder till att det kan bildas fler molndroppar i molnen. Om man har en bestämd mängd vatten i ett moln och fördelar det på fler droppar blir storleken på dropparna mindre. Moln med fler mindre droppar reflekterar tillbaka mer solljus till rymden än moln med färre större droppar. Således gör våra utsläpp av partiklar att molnen kyler av klimatet. Hur mycket aerosolpartiklar kyler av klimatet, genom sin påverkan på moln, är den största osäkerheten i de nuvarande uppskattningarna av framtidens klimat.

Molnens droppstorlekar kan även påverka molnens nederbörd. Det är stor skillnad i storlek på regndroppar och molndroppar, det krävs ca 1 miljon molndroppar för att bilda en regndroppe. I moln med små droppar tar det längre tid innan molndropparna växer sig så pass stora att de kan bilda regndroppar. Då moln rör sig över himlen finns det en risk att fördröjd nederbörd, från moln med små droppar, till slut faller på en annan plats. Den fördröjda nederbörden kan även leda till att molnen växer sig högre och att nederbörden blir kraftigare när den väl faller. Målet med avhandlingen är att bidra till att minska osäkerheterna kring hur mycket aerosolpartiklar påverkar moln och nederbörd.

I avhandlingen har vi kombinerat markbaserade mätningar av aerosolpartiklar med satellit- och väderradarmätningar av moln. Med hjälp av de markbaserade mätningarna har vi kunnat uppskatta hur höga partikelkoncentrationerna i luften är. Från satellitmätningarna får vi fram hur mycket ljus molnen reflekterar och hur stora dropparna i molnen är. Med väderradar kan vi se hur mycket nederbörd som faller från molnen. Vi har även undersökt hur bra satellitmätningarna av moln är genom att jämföra dem med liknande mätningar från marken.

Vi har studerat tre olika typer av moln i avhandlingen: Låga moln, konvektiva moln och cirrus moln.

Med låga moln menas moln vars toppar inte når över 1500 m. I avhandlingen undersöks låga moln både över havet norr om Skandinavien och över Finland och Sverige. När vi undersökte hur deras egenskaper påverkas av koncentrationen av aerosolpartiklar i luften såg vi att ju fler aerosolpartiklar det fanns desto mindre var dropparna i molnen. Detta gällde både över hav och land. Molnen över hav reflekterade även mer solljus när partikelkoncentrationerna var höga. Över land däremot förändrades inte mängden solljus som molnen reflekterar när mängden aerosolpartiklar i luften förändrades. Det kan ha sin förklaring i att dynamiken i molnen också förändras när dropparna blir mindre. I molnen över land kunde vi även studera hur nederbörden förändrades när aerosolkoncentrationen varierade. Det visade sig att nederbörden var något svagare när antalet aerosolpartiklar i luften var högre.

Konvektiva moln bildas ofta när marken värms upp och värmer luften ovanför. Den varma luften stiger, kyls av och bildar blomkålsliknande moln som kan bli väldigt höga. Vi undersökte konvektiva moln över ett område runt en partikelmätstation i Finland och en i Sverige. Det visade sig att även de konvektiva molnen hade mindre droppar när mängden aerosolpartiklar i luften var hög. Dessutom, precis som för de låga molnen, visade det sig att nederbörden försvagades något när fler partiklar fanns i luften. Detta gällde främst molnen som växt sig lite högre.

Cirrusmoln är tunna slöjmoln som utgörs av iskristaller och som brukar ligga på 8-12 km höjd över marken. I undersökningen av dessa använde vi partikelmätningar från ett passagerarflygplan som man installerat mätinstrument i. Svavelpartiklarna i övre delen av atmosfären kommer inte från mänskliga utsläpp utan från explosiva vulkaner som slungar upp partiklarna högt upp i atmosfären. När vi undersökte cirrusmolnen med hjälp av satelliter visade det sig att molnen reflekterade mindre solljus de åren då mängderna svavelpartiklar på hög höjd i atmosfären var höga. Detta är i motsats till vad som förväntas för vattenmoln, vilket kan förklaras med att processen för hur ismoln bildas är mer komplicerad än bildandet av vattenmoln. Höga moln värmer klimatet mer än de kyler det, så när dessa moln tunnas ut bidrar det till att kyla klimatet.

Resultaten från avhandlingen bekräftar att molndropparna blir mindre och nederbörden försvagas när koncentrationerna av aerosolpartiklar är höga i lägre delen av atmosfären. En enhetlig slutsats angående hur mängden solljus som reflekteras av molnen påverkas av aerosolpartiklar går dock inte att dra eftersom resultaten pekar åt olika håll.

• author: Sporre, Moa
• supervisor: Erik Swietlicki
• opponent: Associate Professor Koren, Ilan, Department of Earth and Planetary Sciences, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel
• organization: Aerosol, Nuclear Physics-lup-obsolete (research group); Nuclear physics; MERGE: ModElling the Regional and Global Earth system; Ergonomics and Aerosol Technology
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Meteorology and Atmospheric Sciences
• keywords: clouds, aerosol particles, climate, precipitation, satellite data, Fysicumarkivet A:2016:Sporre
• pages: 62 pages
• defense location: Lecture hall Rydbergsalen, Physics Department, Professorsgatan 1, Lund University, Faculty of Engineering
• defense date: 2016-02-19 09:15:00
• ISBN: 978-91-7623-589-8
• ISBN: 978-91-7623-590-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f81ffdbd-94e2-4260-bfd7-6c9018db3243 (old id 8521127)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:33:29
• date last changed: 2020-05-11 17:37:07