Analyzing Meteorological Relationships to Aerosols in China

Abstract

Meteorological conditions are influenced everyday by air-bound aerosols and pollution in the atmosphere, and understanding these processes from micro to synoptic scale, is essential for forecasting and creating high resolution weather models. In this study, three different experimental weather models are analysed to provide some understanding on how various meteorological parameters are influenced by modelling atmospheric aerosols. Conclusions surrounding relations between the individual parameters are drawn from the results and discussed with respect to previous studies and knowledge on meteorology and atmospheric chemistry.
This analytic observation was made from data covering the Chinese Yangtze River Delta region over the months January and July 2010. This region holds the metropolitan city of Shanghai and experiences a relative subtropical monsoon climate.
Examining how the direct and indirect climate effects influence weather parameters through the three simulated experimental models, attempting to draw conclusions connecting aerosol characteristics to the dynamics of the atmosphere. The primarily investigated parameters include surface temperature, cloud cover, precipitation in the form of rain, long and shortwave radiation measured near surface and at top of atmosphere. Differences in solid precipitation between the experiments are very small and will not be covered in this analytic study.
Highlighting the relation between certain simulated parameters with respect to urban aerosols for additional observation concerning the climate effects.
Furthermore, a modest investigation of a special case day scenario is analyzed to observe how short-term forecasting could be influenced by simulated aerosol modelling in hourly depict data.

Popular Abstract (Swedish)

Ekonomin i Kina har blomstrat över de senaste tiotal åren, och tillsammans med det skyhöga antalet invånare, strävar landet nu efter att uppnå världens största medelklass. Men för att Kina och hela världen skall kunna upprätthålla en levnadsstandard likt den vi har i väst, så kommer vi göra det på stor bekostnad av klimatet. Huvudsakligen sker det på grund av den massiva förbränning av kol och fossila bränslen som släpps ut i luften, där Kina konsumerar nästan mer kol än resten av världen totalt. Uppemot 46% enligt The World Resources Institut. Denna massivt höjda koncentration av utsläppta partiklar i luften, även kallade aerosoler, är orsaken till att kinas städer t.o.m. anses som farliga att andas i, där folk bär masker över munnen för att undgå den smutsiga luften. Dessa extra partiklar, bestående till största delen av kol och sulfat, kan transporteras upp och runt i vår atmosfär av vindströmmar. Med ytterligare partiklar på alla höjder i atmosfären tillkommer även en del resulterande respons från klimatet och vårt väder. För oss meteorologer tillkommer nu utmaningen att implementera denna tillförsel av aerosoler i våra numeriska vädermodeller för att få fram en så noggrann prognos som möjligt. I vårt fall, för att specifikt approximera hur vädersituationen ser ut över Kina, kan vi simulera modeller som direkt beror på hur mycket utsläpp som sker under dagen, där vi troligtvis ser ett maximum under vardagarna. Tre fall av modeller simuleras för att undersöka situationen i Kina. Först ett referens-fall som är anpassad för europeiska förhållande av aerosoler, genom den så kallade HARMONIE modellen. Medans denna vädermodell i sig är okej, anses referensfallets beräknade koncentrationen av människoskapande aerosoler vara för låg, och ett ytterligare fall tilläggs där ytterligare tjocklek av aerosoler i atmosfären är approximerade. Denna nya experimentella modell ger oss simulerade väderparametrar så som det skulle vara med en signifikant ökning av utsläpp och ökning av ett så kallat optiskt djup på partiklarna. Detta optiska djup beskriver aerosolernas egenskap att uppfatta vågstrålning, och med en ökad ”tjocklek” på det optiska djupet kommer troligen en sådan atmosfär absorbera mer solljus som påföljd. Detta fenomen orsakat av aerosoler kallas för den direkta klimateffekten. Vi förväntar oss då att se en minskning av solstrålning som når jordens yta, och genom denna nya experimentella modell kan vi jämföra hur kortvågig solstrålning och alla andra simulerade meteorologiska fenomen beter sig p.g.a. nya aerosoler. Därmed kan vi försöka dra slutsatser kring förhållandet mellan Kinas väder och partiklarnas direkta klimateffekt. E Molnen kan vara något att observera för att få en uppfattning om vädersituationen i vårat fall, och här skapades ett tredje experimentellt fall för att iaktta hur de meteorologiska parametrarna förändras när även den indirekta klimateffekten tillsätts. Denna effekt förklarar hur ytterligare aerosoler av en viss typ (speciellt antropogen) skapar fler molndroppar och även moln som mer effektivt reflekterar solljus tillbaka ut i rymden. En speciell fredag i juli 2010 noterades ha stora skillnader mellan referensfallet och fallet med aerosolernas pålagda direkta klimateffekt över området YRD i Kina. Detta diskuteras i samband med hur den ökande uppvärmningen i atmosfären kan stabilisera den vertikala temperaturprofilen och därmed förhindra uppkomsten av väderscenarion, såsom den sydostasiatiska monsunen. Vilket skulle göra klimatet torrare med färre regnperioder. Vi observerar stora förändringar i molntäcket under denna dagen, även några anomaliteter i vissa regnskurar som vi misstänkte. I bilden kan man tydligt se betydelsen att väder-modellera med rätt aerosol statistik i åtanke, och med detta skapade vi en av de viktiga diskussionerna vi sökte för att jämföra Kinas meteorologiska befinnande mot de antropogena utsläppen.

• author: Svenhag, Carl
• supervisor: Elna Heimdal Nilsson
• organization: Department of Physics; Combustion Physics
• course: FYSK02 20171
• year: 2017
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 8915525
• date added to LUP: 2017-06-29 20:52:52
• date last changed: 2017-06-29 20:52:52