A large-eddy simulation perspective on Arctic airmass transformation and low-level cloud evolution

Abstract

The Arctic is currently warming faster than other regions of the Earth. Many processes and feedbacks contribute to the enhanced warming. Among these are the radiative effects of the clouds. Arctic mixed-phase clouds which contain both liquid and ice condensate, have high longevity and can exert significant surface warming since the amount of solar radiation in the region is relatively low and the surface reflectivity often is high. In this thesis, we study these clouds utilizing a large eddy model coupled with one dimensional thermodynamic sea ice model. The main aim is to understand the interactions between cloud dynamics, microphysics, radiation, and turbulent processes and how these together govern the lifecycle and surface warming of the clouds. By comparing a group of models with observations of the summertime high Arctic we confirm the hypothesis that then when aerosol concentrations are low a small increase in their number concentration can increase the liquid water content of the cloud and turn the surface warming. Idealized simulations of moist intrusions into the Arctic show that the surface temperature may increase by more than 15 Celsius degrees if we allow cloud to form during a moist intrusion compared to if the atmosphere is cloud free. The simulations also show that the large scale divergence rate strongly impacts the maintenance of the liquid layer at the top of these clouds. A main finding of this thesis is that the temperature of the cloud that forms during a moist intrusion is close to the initial dew point temperature. Thus, the surface warming induced by the clouds depends mostly on the initial humidity of the air mass rather than the initial temperature. In addition, the stability of the initial dew point temperature profile largerly controls the turbulent state of the cloud. If the profile is unstable then the cloud can transform from a thin stable stratus to a deeper stratocumulus cloud, which also enhances the surface warming. Consequently, both the initial amount and the vertical structure of the initial moisture of the intrusion are important for the warming of the sea ice. A change in the number of cloud condensation nuclei does not affect the cloud evolution considerably provided that there is a continuous supply of these nuclei. However, if cloud condensation nuclei sources are absent then the cloud main remain in its stable state. Furthermore, a decrease in the cloud ice condensate which may be caused by a lack of ice nucleation particles may delay the transformation of the cloud into a stratocumulus. These results suggest that any future change in aerosol loading and atmospheric moisture transport into the Arctic may alter the surface longwave cloud radiative effect and cause changes in the sea ice evolution.

Η Αρκτική αυτή τη στιγμή θερμαίνεται ταχύτερα από άλλες περιοχές της Γης. Πολλές διαδικασίες και ανατροφοδοτήσεις συμβάλλουν στην ενισχυμένη θέρμανση. Μεταξύ αυτών είναι οι ακτινοβολίες των νεφών. Τα νέφη μικτής φάσης της Αρκτικής που περιέχουν τόσο υγρό όσο και συμπύκνωμα πάγου, έχουν υψηλή διάρκεια ζωής και μπορούν να ασκήσουν σημαντική επιφανειακή θέρμανση, καθώς η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας στην περιοχή είναι σχετικά χαμηλή και η ανακλαστικότητα της επιφάνειας είναι συχνά υψηλή. Σε αυτή τη διατριβή, μελετάμε αυτά τα σύννεφα χρησιμοποιώντας ένα μεγάλο μοντέλο στροβιλισμού σε συνδυασμό με μονοδιάστατο θερμοδυναμικό μοντέλο θαλάσσιου πάγου. Ο κύριος στόχος είναι να κατανοήσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της δυναμικής των νεφών, της μικροφυσικής, της ακτινοβολίας και των τυρβωδών διεργασιών και πώς αυτές μαζί διέπουν τον κύκλο ζωής και την επιφανειακή θέρμανση των νεφών. Συγκρίνοντας μια ομάδα μοντέλων με παρατηρήσεις του καλοκαιριού στην Αρκτική, επιβεβαιώνουμε την υπόθεση ότι τότε όταν οι συγκεντρώσεις αερολύματος είναι χαμηλές, μια μικρή αύξηση στη συγκέντρωση του αριθμού τους μπορεί να αυξήσει την περιεκτικότητα σε υγρό νερό του νέφους και να ανατρέψει τη θέρμανση της επιφάνειας. Εξιδανικευμένες προσομοιώσεις υγρών εισβολών στην Αρκτική δείχνουν ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας μπορεί να αυξηθεί κατά περισσότερο από 15 βαθμούς Κελσίου εάν επιτρέψουμε να σχηματιστεί σύννεφο κατά τη διάρκεια μιας εισβολής υγρασίας σε σύγκριση με το εάν η ατμόσφαιρα είναι απαλλαγμένη από σύννεφα. Οι προσομοιώσεις δείχνουν επίσης ότι ο ρυθμός απόκλισης μεγάλης κλίμακας επηρεάζει έντονα τη διατήρηση του υγρού στρώματος στην κορυφή αυτών των νεφών. Ένα βασικό εύρημα αυτής της διατριβής είναι ότι η θερμοκρασία του νέφους που σχηματίζεται κατά τη διάρκεια μιας εισβολής υγρασίας είναι κοντά στην αρχική θερμοκρασία του σημείου δρόσου. Έτσι, η επιφανειακή θέρμανση που προκαλείται από τα σύννεφα εξαρτάται κυρίως από την αρχική υγρασία της μάζας του αέρα παρά από την αρχική θερμοκρασία. Επιπλέον, η σταθερότητα του αρχικού προφίλ θερμοκρασίας του σημείου δρόσου ελέγχει σε μεγάλο βαθμό την τυρβώδη κατάσταση του νέφους. Εάν το προφίλ είναι ασταθές, τότε το σύννεφο μπορεί να μετατραπεί από μια λεπτή σταθερή στιβάδα σε ένα βαθύτερο σύννεφο στρωματοσωρεύσεως, το οποίο επίσης ενισχύει τη θέρμανση της επιφάνειας. Κατά συνέπεια, τόσο η αρχική ποσότητα όσο και η κατακόρυφη δομή της αρχικής υγρασίας της εισβολής είναι σημαντικές για τη θέρμανση του θαλάσσιου πάγου. Μια αλλαγή στον αριθμό των πυρήνων συμπύκνωσης του νέφους δεν επηρεάζει σημαντικά την εξέλιξη του νέφους υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει συνεχής παροχή αυτών των πυρήνων. Ωστόσο, εάν οι πηγές πυρήνων συμπύκνωσης νέφους απουσιάζουν, τότε το κύριο νέφος παραμένει στη σταθερή του κατάσταση. Επιπλέον, μια μείωση στο συμπύκνωμα του πάγου του νέφους που μπορεί να προκληθεί από την έλλειψη σωματιδίων πυρήνωσης πάγου μπορεί να καθυστερήσει τη μετατροπή του νέφους σε στρατοσώρευση. Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οποιαδήποτε μελλοντική αλλαγή στη φόρτωση αεροζόλ και τη μεταφορά ατμοσφαιρικής υγρασίας στην Αρκτική μπορεί να μεταβάλει το επιφανειακό ακτινοβολητικό φαινόμενο των μακρών κυμάτων και να προκαλέσει αλλαγές στην εξέλιξη του θαλάσσιου πάγου.