The impact of a seasonally ice free Arctic Ocean on the temperature, precipitation and surface mass balance of Svalbard

The observed decline in summer sea ice extent since the 1970s is predicted to continue until the Arctic Ocean is seasonally ice free during the 21st Century. This will lead to a much perturbed Arctic climate with large changes in ocean surface energy flux. Svalbard, located on the present day sea ice edge, contains many low lying ice caps and glaciers and is expected to experience rapid warming over the 21st Century. The total sea level rise if all the land ice on Svalbard were to melt completely is 0.02 m. The purpose of this study is to quantify the impact of climate change on Svalbard’s surface mass balance (SMB) and to determine, in particular, what proportion of the projected changes in precipitation and SMB are a result of changes to the Arctic sea ice cover. To investigate this a regional climate model was forced with monthly mean climatologies of sea surface temperature (SST) and sea ice concentration for the periods 1961–1990 and 2061–2090 under two emission scenarios. In a novel forcing experiment, 20th Century SSTs and 21st Century sea ice were used to force one simulation to investigate the role of sea ice forcing. This experiment results in a 3.5 m water equivalent increase in Svalbard’s SMB compared to the present day. This is because over 50 % of the projected increase in winter precipitation over Svalbard under the A1B emissions scenario is due to an increase in lower atmosphere moisture content associated with evaporation from the ice free ocean. These results indicate that increases in precipitation due to sea ice decline may act to moderate mass loss from Svalbard’s glaciers due to future Arctic warming.

A self-calibrating electrometer for atmospheric charge measurements from a balloon platform

Charged aerosol particles and water droplets are abundant throughout the lower atmosphere, and may influence interactions between small cloud droplets. This note describes a small, disposable sensor for the measurement of charge in non-thunderstorm cloud, which is an improvement of an earlier sensor [K. A. Nicoll and R. G. Harrison, Rev. Sci. Instrum. 80, 014501 (2009)]. The sensor utilizes a self-calibrating current measurement method. It is designed for use on a free balloon platform alongside a standard meteorological radiosonde, measuring currents from 2 fA to 15 pA and is stable to within 5 fA over a temperature range of 5 °C to −60 °C. During a balloon flight with the charge sensor through a stratocumulus cloud, charge layers up to 40 pC m−3 were detected on the cloud edges.

Influence of short-term solar disturbances on the fair weather conduction current

The fair weather atmospheric electrical current (Jz) couples the ionosphere to the lower atmosphere and thus provides a route by which changes in solar activity can modify processes in the lower troposphere. This paper examines the temporal variations and spectral characteristics of continuous measurements of Jz conducted at the Wise Observatory in Mitzpe-Ramon, Israel (30°35′ N, 34°45′ E), during two large CMEs, and during periods of increased solar wind density. Evidence is presented for the effects of geomagnetic storms and sub-storms on low latitude Jz during two coronal mass ejections (CMEs), on 24–25th October 2011 and 7–8th March 2012, when the variability in Jz increased by an order of magnitude compared to normal fair weather conditions. The dynamic spectrum of the increased Jz fluctuations exhibit peaks in the Pc5 frequency range. Similar low frequency characteristics occur during periods of enhanced solar wind proton density. During the October 2011 event, the periods of increased fluctuations in Jz lasted for 7 h and coincided with fluctuations of the inter-planetary magnetic field (IMF) detected by the ACE satellite. We suggest downward mapping of ionospheric electric fields as a possible mechanism for the increased fluctuations.

Exploiting existing ground-based remote sensing networks to improve high-resolution weather forecasts

A new generation of high-resolution (1 km) forecast models promises to revolutionize the prediction of hazardous weather such as windstorms, flash floods, and poor air quality. To realize this promise, a dense observing network, focusing on the lower few kilometers of the atmosphere, is required to verify these new forecast models with the ultimate goal of assimilating the data. At present there are insufficient systematic observations of the vertical profiles of water vapor, temperature, wind, and aerosols; a major constraint is the absence of funding to install new networks. A recent research program financed by the European Union, tasked with addressing this lack of observations, demonstrated that the assimilation of observations from an existing wind profiler network reduces forecast errors, provided that the individual instruments are strategically located and properly maintained. Additionally, it identified three further existing European networks of instruments that are currently underexploited, but with minimal expense they could deliver quality-controlled data to national weather services in near–real time, so the data could be assimilated into forecast models. Specifically, 1) several hundred automatic lidars and ceilometers can provide backscatter profiles associated with aerosol and cloud properties and structures with 30-m vertical resolution every minute; 2) more than 20 Doppler lidars, a fairly new technology, can measure vertical and horizontal winds in the lower atmosphere with a vertical resolution of 30 m every 5 min; and 3) about 30 microwave profilers can estimate profiles of temperature and humidity in the lower few kilometers every 10 min. Examples of potential benefits from these instruments are presented.

A case study of the direct radiative effect of biomass burning aerosols on precipitation in the Eastern Amazon

Numerical experiments with the Brazilian additions to the Regional Atmospheric Modeling System were performed with two nested grids (50 and 10 km horizontal resolution, respectively) with and without the effect of biomass burning for 8 different situations for 96 h integrations. Only the direct radiative effect of aerosols is considered. The results were analyzed in large areas encompassing the BR163 road (one of the main areas of deforestation in the Amazon). mainly where most of the burning takes place. The precipitation change due to the direct radiative impact of biomass burning is generally negative (i.e., there is a decrease of precipitation). However, there are a few cases with a positive impact. Two opposite forcing mechanisms were explored: (a) the thermodynamic forcing that is generally negative in the sense that the aerosol tends to stabilize the lower atmosphere and (b) the dynamic impact associated with the low level horizontal pressure gradients produced by the aerosol plumes. In order to understand the non-linear relationship between the two effects, experiments were performed with 4-fold emissions. In these cases, the dynamic effect overcomes the stabilization produced by the radiative forcing and precipitation increase is observed in comparison with the control experiment. This study suggests that. in general, the biomass burning radiative forcing decreases the precipitation. However, very large concentrations of aerosols may lead to an increase of precipitation due to the dynamical forcing associated with the horizontal pressure gradients. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Application of landsat images for quantifying the energy balance under conditions of land use changes in the semi-arid region of Brazil

In the Nilo Coelho irrigation scheme, Brazil, the natural vegetation has been replaced by irrigated agriculture, bringing importance for the quantification of the effects on the energy exchanges between the mixed vegetated surfaces and the lower atmosphere. Landsat satellite images and agro-meteorological stations from 1992 to 2011 were used together, for modelling these exchanges. Surface albedo (α0), NDVI and surface temperature (T0) were the basic remote sensing retrieving parameters necessary to calculate the latent heat flux (λE) and the surface resistance to evapotranspiration (rs) on a large scale. The daily net radiation (Rn) was obtained from α0, air temperature (Ta) and short-wave transmissivity (τsw) throughout the slob equation, allowing the quantification of the daily sensible heat flux (H) by residual in the energy balance equation. With a threshold value for rs, it was possible to separate the energy fluxes from crops and natural vegetation. The averaged fractions of Rn partitioned as H and λE, were in average 39 and 67%, respectively. It was observed an increase of the energy used for the evapotranspiration process inside irrigated areas from 51% in 1992 to 80% in 2011, with the ratio λE/Rn presenting an increase of 3 % per year. The tools and models applied in the current research, can subsidize the monitoring of the coupled climate and land use changes effects in irrigation perimeters, being valuable when aiming the sustainability of the irrigated agriculture in the future, avoiding conflicts among different water users. © 2012 SPIE.

Solar-Terrestrial Signal Record in Tree Ring Width Time Series from Brazil

This work investigates the behavior of the sunspot number and Southern Oscillation Index (SOI) signal recorded in the tree ring time series for three different locations in Brazil: Humaita in Amaznia State, Porto Ferreira in So Paulo State, and Passo Fundo in Rio Grande do Sul State, using wavelet and cross-wavelet analysis techniques. The wavelet spectra of tree ring time series showed signs of 11 and 22 years, possibly related to the solar activity, and periods of 2-8 years, possibly related to El Nio events. The cross-wavelet spectra for all tree ring time series from Brazil present a significant response to the 11-year solar cycle in the time interval between 1921 to after 1981. These tree ring time series still have a response to the second harmonic of the solar cycle (5.5 years), but in different time intervals. The cross-wavelet maps also showed that the relationship between the SOI x tree ring time series is more intense, for oscillation in the range of 4-8 years.

Tropospheric photochemistry of ozone, its precursors and the hydroxyl radical

Zusammenfassung Ein 3-dimensionales globales Modell der unterenAtmosphäre wurde für die Untersuchung derOzonchemie, sowie der Chemie des Hydroxylradikals (OH) undwichtiger Vorläufersubstanzen, wie reaktiverStickstoffverbindungen und Kohlenwasserstoffe, verwendet.Hierfür wurde die Behandlung vonNicht-Methan-Kohlenwasserstoffen (NMKW) hinzugefügt,was auch die Entwicklung einer vereinfachten Beschreibungihrer Chemie, sowie die Erfassung von Depositionsprozessenund Emissionen erforderte. Zur Lösung der steifengewöhnlichen Differentialgleichungen der Chemie wurdeeine schnelles Rosenbrock-Verfahren eingesetzt, das soimplementiert wurde, dass die Modell-Chemie fürzukünftige Studien leicht abgeändert werden kann. Zur Evaluierung des Modells wurde ein umfangreicherVergleich der Modellergebnisse mit Bodenmessungen, sowieFlugzeug-, Sonden- und Satelliten-Daten durchgeführt.Das Modell kann viele Aspekte der Beobachtungen derverschieden Substanzen realistisch wiedergeben. Es wurdenjedoch auch einige Diskrepanzen festgestellt, die Hinweiseauf fehlerhafte Emissionsfelder oder auf die Modell-Dynamikund auch auf fehlende Modell-Chemie liefern. Zur weiteren Untersuchung des Einflusses verschiedenerStoffgruppen wurden drei Läufe mit unterschiedlichkomplexer Chemie analysiert. Durch das Berücksichtigender NMKW wird die Verteilung mehrerer wichtiger Substanzensignifikant beeinflusst, darunter z.B. ein Anstieg desglobalen Ozons. Es wurde gezeigt, dass die biogene SubstanzIsopren etwa die Hälfte des Gesamteffekts der NMKWausmachte (mehr in den Tropen, weniger anderswo). In einer Sensitivitätsstudie wurden die Unsicherheitenbei der Modellierung von Isopren weitergehend untersucht.Dabei konnte gezeigt werden, dass die Unsicherheit beiphysikalischen Aspekten (Deposition und heterogene Prozesse)ebenso groß sein kann, wie die aus dem chemischenGasphasen-Mechanismus stammende, welche zu globalbedeutsamen Abweichungen führte. Lokal können sichnoch größere Abweichungen ergeben. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die numerischenStudien dieser Arbeit neue Einblicke in wichtige Aspekte derPhotochemieder Troposphäre ergaben und in Vorschläge fürweiter Studien mündeten, die die wichtigsten gefundenenUnsicherheiten weiter verringern könnten.

Dynamik und Klimatologie von diabatischen Rossby-Wellen

Der Wintersturm Lothar zog am 26. Dezember 1999 über Europa und richtete in Frankreich, in Deutschland, in der Schweiz und in Österreich ungewöhnlich hohe Schäden an. Lothar entstand aus einer diabatischen Rossby Welle (DRW) und erreichte erst wenige Stunden vor dem europäischen Kontinent Orkanstärke. DRWs weisen ein interessantes atmosphärisches Strömungsmuster auf. Sie bestehen aus einer positiven PV-Anomalie in der unteren Troposphäre, die sich in einer Region mit starkem meridionalen Temperaturgradient befindet. Die positive PV-Anomalie löst eine zyklonale Strömung aus, dadurch wird östlich der PV-Anomalie warme Luft aus dem Süden herantransportiert. Während des Aufstieg der warmen Luft finden diabatische Prozesse statt, die zur Bildung einer neuen positiven PV-Anomalie in der unteren Troposphäre (PVA) führen. DRWs entstehen unabhängig von PV-Anomalien an der Tropopause. Falls sie jedoch mit ihnen in Wechselwirkung treten, kann - wie im Falle von Lothar - eine explosive Zyklogenese daraus resultieren. Im ersten Teil wird die Dynamik einer DRW am Beispiel des Wintersturms Lothar untersucht. Es wird insbesondere auf das Potential einer DRW zur explosiven Zyklogenese eingegangen. Im zweiten Teil wird das Aufretreten von DRWs in ECMWF-Vorhersagen untersucht. Es werden Unterschiede zwischen DRWs und anderen PV-Anomalien in der unteren Troposphäre hervorgehoben. Die Dynamik von DRWs wird mit Hilfe eines ECMWF-"Ensemble Prediction System" (EPS) des Wintersturms Lothar untersucht. Die 50 Modellläufe des EPS starten am 24. Dezember 1999 um 12 UTC und reichen bis zum 26. Dezember 1999 um 12 UTC. Nur 16 der 50 Modellläufe sagen einen ähnlich starken Sturm wie Lothar vorher. 10 Modellläufen sagen am 26. Dezember keine Zyklone mehr vorher. Die Ausprägung der baroklinen Zone, in der sich die DRW befindet, ist ausschlaggebend für die Intensität der DRW. Weitere wichtige Parameter sind der Feuchtegehalt der unteren Troposphäre und der latente Wärmefluss über dem Ozean. Diejenigen DRWs, die sich zu am 25. Dezember um 12 UTC näher als 400 km am Tropopausenjet befinden, entwickeln sich zu einer starken Zyklone. Alle anderen lösen sich auf oder bleiben schwache Zyklonen. Es ist schwierig, diabatische Prozesse in Wettervorhersagemodellen abzubilden, dementsprechend treten Schwierigkeiten bei der Vorhersage von PVAs auf. In den operationellen ECMWF-Vorhersagen von Juni 2004 bis Mai 2005 werden mit Hilfe eines Tracking- Algorithmus PVAs im Nordpazifik und Nordatlantik bestimmt und in fünf Kategorien eingeteilt. Die fünf Kategorien unterscheiden sich in ihrer Häufigkeit, ihrer Zugbahn und ihrer Gestalt. Im Nordpazifik entstehen doppelt so viele PVAs wie im Nordatlantik. Durchschnittlich werden im Winter weniger PVAs gefunden als im Sommer. Die Baroklinität und die Geschwindigkeit des Tropopausenjets ist in der Nähe von DRWs besonders hoch. Verglichen mit anderen PVAs weisen DRWs eine ähnliche Verteilung des reduzierten Bodendrucks auf. DRWs können in etwa gleich gut vorhergesagt werden wie andere PVAs.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

Thermodynamics of the Hydroxyl Radical Addition to Isoprene

Oxidation of isoprene by the hydroxyl radical leads to tropospheric ozone formation. Consequently, a more complete understanding of this reaction could lead to better models of regional air quality, a better understanding of aerosol formation, and a better understanding of reaction kinetics and dynamics. The most common first step in the oxidation of isoprene is the formation of an adduct, with the hydroxyl radical adding to one of four unsaturated carbon atoms in isoprene. In this paper, we discuss how the initial conformations of isoprene, s-trans and s-gauche, influences the pathways to adduct formation. We explore the formation of pre-reactive complexes at low and high temperatures, which are often invoked to explain the negative temperature dependence of this reaction’s kinetics. We show that at higher temperatures the free energy surface indicates that a pre-reactive complex is unlikely, while at low temperatures the complex exists on two reaction pathways. The theoretical results show that at low temperatures all eight pathways possess negative reaction barriers, and reaction energies that range from −36.7 to −23.0 kcal·mol−1. At temperatures in the lower atmosphere, all eight pathways possess positive reaction barriers that range from 3.8 to 6.0 kcal·mol−1 and reaction energies that range from −28.8 to −14.4 kcal·mol−1.