Ανάπτυξη αλγόριθμων για τον υπολογισμό των επιδράσεων των σωματιδίων φυσικής προέλευσης στη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας και στο ενε...

Abstract

The scope of this thesis is to study the processes that govern dust production, transport and deposition of desert dust particles, the development of parameterizations for calculating the radiative impacts of dust on limited area models and finally the application of the system to the Mediterranean Area. The algorithms developed redefine the areas that can act as desert dust sources and improve the description of the physical processes that have to do with the dust cycle in the atmosphere. Also a new radiative transfer algorithm, RRTMG, has been modified to work in the framework of the SKIRON model for the purpose of quantifying the direct radiative feedback of mineral dust. The first and foremost effect of dust is the reduction of the incoming solar radiation through scattering and absorption. During the day the amount of energy absorbed by the dust cloud increases the heating rates of the atmospheric layer. On the contrary during the night dust particles emit longwave radiation towards the adjacent layers increasing their temperature. Also the outgoing radiation is trapped between surface and dust layer which causes heating in the lower troposphere. The dust feedback on radiation has a profound effect on the model performance on temperature, wind speed and precipitation. The introduction of dust feedbacks improves the representation of the atmosphere by the model.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη των μηχανισμών παραγωγής και μεταφοράς σωματιδίων εδαφικής σκόνης, η ανάπτυξη νέων μηχανισμών περιγραφής της επίδρασης της σκόνης στο ενεργειακό ισοζύγιο σε μοντέλα ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας και η εφαρμογή των παραπάνω στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής επαναπροσδιορίζουν τις περιοχές που λειτουργούν σαν πηγές σωματιδίων σκόνης φυσικής προέλευσης και βελτιώνουν τις διεργασίες παραγωγής, μεταφοράς και εναπόθεσης. Παράλληλα αναπτύχθηκαν κατάλληλοι αλγόριθμοι για την προσαρμογή του νέου μοντέλου ακτινοβολίας RRTMG στο σύστημα SKIRON με τελικό στόχο την ποσοτικοποίηση των άμεσων επιδράσεων της σκόνης στο ενεργειακό ισοζύγιο. Η ύπαρξη σωματιδίων φυσικής προέλευσης στην ατμόσφαιρα ελαττώνει το ποσοστό της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος μέσω σκέδασης και απορρόφησης. Κατά τη διάρκεια της ημέρας το ποσοστό της ενέργειας που απορροφάται από το νέφος σκόνης θερμαίνει το στρώμα της ατμόσφαιρας στο οποίο βρίσκεται. Αντίθετα κατά τη διάρκεια της νύχτας ακτινοβολεί θερμαίνοντας τα υποκείμενα και παρακείμενα στρώματα της ατμόσφαιρας, ενώ ψύχεται το ίδιο. Παράλληλα το στρώμα της σκόνης παγιδεύει την εξερχόμενη υπέρυθρη ακτινοβολία από το έδαφος, θερμαίνοντας τα επιφανειακά στρώματα. Η επίδραση της σκόνης έχει εμφανείς επιδράσεις και στην απόδοση του μοντέλου, όσον αφορά στην αναπαράσταση της θερμοκρασίας, της ταχύτητας του ανέμου και την κατανομή της βροχόπτωσης. Η εισαγωγή της ανάδρασης της σκόνης σύστημα επιτρέπει ικανοποιητικότερη αναπαράσταση των φαινομένων.