Experimental study of bottom feed updraft gasifier

The updraft biomass gasifiers currently available produce a gas with high tar content. For almost all downstream applications a substantial reduction of the tar concentration is required. The gravimetric tar concentration behavior in producer gas, obtained at a modified updraft fixed bed gasifier, was studied. The feedstock feeding system was modified respect to the traditional updraft gasification design in order to decrease the tar concentration in the producer gas; the material is feeding continuously through a conduit in the base of the reactor over the grate. The caloric power of the syngas obtained was slightly lower than the typical value for this type of reactor and the highest efficiency obtained for the woodchip gasification was 77%. The highest tar concentration obtained during the experiments was 1652.7 mg N m-3 during the first our of experiments, comparable with the smaller value reported for the updraft reactors, this value is reduced significantly after the stabilization of the gasification process in the reactor. The smaller value obtained was 21 mg N m-3. © 2013 Elsevier Ltd.

Robust relations between CCN and the vertical evolution of cloud drop size distribution in deep convective clouds

In-situ measurements in convective clouds (up to the freezing level) over the Amazon basin show that smoke from deforestation fires prevents clouds from precipitating until they acquire a vertical development of at least 4 km, compared to only 1-2 km in clean clouds. The average cloud depth required for the onset of warm rain increased by similar to 350 m for each additional 100 cloud condensation nuclei per cm(3) at a super-saturation of 0.5% (CCN0.5%). In polluted clouds, the diameter of modal liquid water content grows much slower with cloud depth (at least by a factor of similar to 2), due to the large number of droplets that compete for available water and to the suppressed coalescence processes. Contrary to what other studies have suggested, we did not observe this effect to reach saturation at 3000 or more accumulation mode particles per cm(3). The CCN0.5% concentration was found to be a very good predictor for the cloud depth required for the onset of warm precipitation and other microphysical factors, leaving only a secondary role for the updraft velocities in determining the cloud drop size distributions. The effective radius of the cloud droplets (r(e)) was found to be a quite robust parameter for a given environment and cloud depth, showing only a small effect of partial droplet evaporation from the cloud's mixing with its drier environment. This supports one of the basic assumptions of satellite analysis of cloud microphysical processes: the ability to look at different cloud top heights in the same region and regard their r(e) as if they had been measured inside one well developed cloud. The dependence of r(e) on the adiabatic fraction decreased higher in the clouds, especially for cleaner conditions, and disappeared at r(e)>=similar to 10 mu m. We propose that droplet coalescence, which is at its peak when warm rain is formed in the cloud at r(e)=similar to 10 mu m, continues to be significant during the cloud's mixing with the entrained air, cancelling out the decrease in r(e) due to evaporation.

Life-cycle simulations of shallow frontal waves and the impact of deformation strain

The life-cycle of shallow frontal waves and the impact of deformation strain on their development is investigated using the idealised version of the Met Office non-hydrostatic Unified Model which includes the same physics and dynamics as the operational forecast model. Frontal wave development occurs in two stages; first, a deformation strain is applied to a front and a positive potential vorticity (PV) strip forms, generated by latent heat release in the frontal updraft; second, as the deformation strain is reduced the PV strip breaks up into individual anomalies. The circulations associated with the PV anomalies cause shallow frontal waves to form. The structure of the simulated frontal waves is consistent with the conceptual model of a frontal cyclone. Deeper frontal waves are simulated if the stability of the atmosphere is reduced. Deformation strain rates of different strengths are applied to the PV strip to determine whether a deformation strain threshold exists above which frontal wave development is suppressed. An objective method of frontal wave activity is defined and frontal wave development was found to be suppressed by deformation strain rates $\ge 0.4\times10^{-5}\mbox{s}^{-1}$. This value compares well with observed deformation strain rate thresholds and the analytical solution for the minimum deformation strain rate needed to suppress barotropic frontal wave development. The deformation strain rate threshold is dependent on the strength of the PV strip with strong PV strips able to overcome stronger deformation strain rates (leading to frontal wave development) than weaker PV strips.

Correlations between microphysical properties of large-scale semi-transparent cirrus and the state of the atmosphere

By making use of TOVS Path-B satellite retrievals and ECMWF reanalyses, correlations between bulk microphysical properties of large-scale semi-transparent cirrus (visible optical thickness between 0.7 and 3.8) and thermodynamic and dynamic properties of the surrounding atmosphere have been studied on a global scale. These clouds constitute about half of all high clouds. The global averages (from 60°N to 60°S) of mean ice crystal diameter, De, and ice water path (IWP) of these clouds are 55 μm and 30 g m−2, respectively. IWP of these cirrus is slightly increasing with cloud-top temperature, whereas De of cold cirrus does not depend on this parameter. Correlations between De and IWp of large-scale cirrus seem to be different in the midlatitudes and in the tropics. However, we observe in general stronger correlations between De and IWP and atmospheric humidity and winds deduced from the ECMWF reanalyses: De and IWP increase both with increasing atmospheric water vapour. There is also a good distinction between different dynamical situations: In humid situations, IWP is on average about 10 gm−2 larger in regions with strong large-scale vertical updraft only that in regions with strong large-scale horizontal winds only, whereas the mean De of cold large-scale cirrus decreases by about 10 μm if both strong large-scale updraft and horizontal winds are present.

An assessment of aerosol‐cloud interactions in marine stratus clouds based on surface remote sensing

An assessment of aerosol-cloud interactions (ACI) from ground-based remote sensing under coastal stratiform clouds is presented. The assessment utilizes a long-term, high temporal resolution data set from the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Program deployment at Pt. Reyes, California, United States, in 2005 to provide statistically robust measures of ACI and to characterize the variability of the measures based on variability in environmental conditions and observational approaches. The average ACIN (= dlnNd/dlna, the change in cloud drop number concentration with aerosol concentration) is 0.48, within a physically plausible range of 0–1.0. Values vary between 0.18 and 0.69 with dependence on (1) the assumption of constant cloud liquid water path (LWP), (2) the relative value of cloud LWP, (3) methods for retrieving Nd, (4) aerosol size distribution, (5) updraft velocity, and (6) the scale and resolution of observations. The sensitivity of the local, diurnally averaged radiative forcing to this variability in ACIN values, assuming an aerosol perturbation of 500 c-3 relative to a background concentration of 100 cm-3, ranges betwee-4 and -9 W -2. Further characterization of ACI and its variability is required to reduce uncertainties in global radiative forcing estimates.

Cloud-resolving simulations of deep convection over a heated mountain

Cloud-resolving numerical simulations of airflow over a diurnally heated mountain ridge are conducted to explore the mechanisms and sensitivities of convective initiation under high pressure conditions. The simulations are based on a well-observed convection event from the Convective and Orographically Induced Precipitation Study (COPS) during summer 2007, where an isolated afternoon thunderstorm developed over the Black Forest mountains of central Europe, but they are idealized to facilitate understanding and reduce computational expense. In the conditionally unstable but strongly inhibited flow under consideration, sharp horizontal convergence over the mountain acts to locally weaken the inhibition and moisten the dry midtroposphere through shallow cumulus detrainment. The onset of deep convection occurs not through the deep ascent of a single updraft but rather through a rapid succession of thermals that are vented through the mountain convergence zone into the deepening cloud mass. Emerging thermals rise through the saturated wakes of their predecessors, which diminishes the suppressive effects of entrainment and allows for rapid glaciation above the freezing level as supercooled cloud drops rime onto preexisting ice particles. These effects strongly enhance the midlevel cloud buoyancy and enable rapid ascent to the tropopause. The existence and vigor of the convection is highly sensitive to small changes in background wind speed U0, which controls the strength of the mountain convergence and the ability of midlevel moisture to accumulate above the mountain. Whereas vigorous deep convection develops for U0 = 0 m s−1, deep convection is completely eliminated for U0 = 3 m s−1. Although deep convection is able to develop under intermediate winds (U0 = 1.5 m s−1), its formation is highly sensitive to small-amplitude perturbations in the initial flow.

Exploring the land–ocean contrast in convective vigor using islands

Moist convection is well known to be generally more intense over continental than maritime regions, with larger updraft velocities, graupel, and lightning production. This study explores the transition from maritime to continental convection by comparing the trends in Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) radar and microwave (37 and 85 GHz) observations over islands of increasing size to those simulated by a cloud-resolving model. The observed storms were essentially maritime over islands of <100 km2 and continental over islands >10 000 km2, with a gradual transition in between. Equivalent radar and microwave quantities were simulated from cloud-resolving runs of the Weather Research and Forecasting model via offline radiation codes. The model configuration was idealized, with islands represented by regions of uniform surface heat flux without orography, using a range of initial sounding conditions without strong horizontal winds or aerosols. Simulated storm strength varied with initial sounding, as expected, but also increased sharply with island size in a manner similar to observations. Stronger simulated storms were associated with higher concentrations of large hydrometeors. Although biases varied with different ice microphysical schemes, the trend was similar for all three schemes tested and was also seen in 2D and 3D model configurations. The successful reproduction of the trend with such idealized forcing supports previous suggestions that mesoscale variation in surface heating—rather than any difference in humidity, aerosol, or other aspects of the atmospheric state—is the main reason that convection is more intense over continents and large islands than over oceans. Some dynamical storm aspects, notably the peak rainfall and minimum surface pressure low, were more sensitive to surface forcing than to the atmospheric sounding or ice scheme. Large hydrometeor concentrations and simulated microwave and radar signatures, however, were at least as sensitive to initial humidity levels as to surface forcing and were more sensitive to the ice scheme. Issues with running the TRMM simulator on 2D simulations are discussed, but they appear to be less serious than sensitivities to model microphysics, which were similar in 2D and 3D. This supports the further use of 2D simulations to economically explore modeling uncertainties.

Observations of ice multiplication in a weakly convective cell embedded in supercooled mid-level stratus

Simultaneous observations of cloud microphysical properties were obtained by in-situ aircraft measurements and ground based Radar/Lidar. Widespread mid-level stratus cloud was present below a temperature inversion (~5 °C magnitude) at 3.6 km altitude. Localised convection (peak updraft 1.5 m s−1) was observed 20 km west of the Radar station. This was associated with convergence at 2.5 km altitude. The convection was unable to penetrate the inversion capping the mid-level stratus. The mid-level stratus cloud was vertically thin (~400 m), horizontally extensive (covering 100 s of km) and persisted for more than 24 h. The cloud consisted of supercooled water droplets and small concentrations of large (~1 mm) stellar/plate like ice which slowly precipitated out. This ice was nucleated at temperatures greater than −12.2 °C and less than −10.0 °C, (cloud top and cloud base temperatures, respectively). No ice seeding from above the cloud layer was observed. This ice was formed by primary nucleation, either through the entrainment of efficient ice nuclei from above/below cloud, or by the slow stochastic activation of immersion freezing ice nuclei contained within the supercooled drops. Above cloud top significant concentrations of sub-micron aerosol were observed and consisted of a mixture of sulphate and carbonaceous material, a potential source of ice nuclei. Particle number concentrations (in the size range 0.1

Electrification of precipitating systems over the Amazon: Physical processes of thunderstorm development

This study investigated the physical processes involved in the development of thunderstorms over southwestern Amazon by hypothesizing causalities for the observed cloud-to-ground lightning variability and the local environmental characteristics. Southwestern Amazon experiences every year a large variety of environmental factors, such as the gradual increase in atmospheric moisture, extremely high pollution due to biomass burning, and intense deforestation, which directly affects cloud development by differential surface energy partition. In the end of the dry period it was observed higher percentages of positive cloud-to-ground (+CG) lightning due to a relative increase in +CG dominated thunderstorms (positive thunderstorms). Positive (negative) thunderstorms initiated preferentially over deforested (forest) areas with higher (lower) cloud base heights, shallower (deeper) warm cloud depths, and higher (lower) convective potential available energy. These features characterized the positive (negative) thunderstorms as deeper (relatively shallower) clouds, stronger (relatively weaker) updrafts with enhanced (decreased) mixed and cold vertically integrated liquid. No significant difference between thunderstorms (negative and positive) and nonthunderstorms were observed in terms of atmospheric pollution, once the atmosphere was overwhelmed by pollution leading to an updraft-limited regime. However, in the wet season both negative and positive thunderstorms occurred during periods of relatively higher aerosol concentration and differentiated size distributions, suggesting an aerosol-limited regime where cloud electrification could be dependent on the aerosol concentration to suppress the warm and enhance the ice phase. The suggested causalities are consistent with the invoked hypotheses, but they are not observed facts; they are just hypotheses based on plausible physical mechanisms.

Simulação da produção e combustão de gás de síntese oriundo de gaseificadores de leite fixo

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Numerical simulations of microphysical processes in pyro-convective clouds

Hochreichende Konvektion über Waldbränden ist eine der intensivsten Formen von atmosphärischer Konvektion. Die extreme Wolkendynamik mit hohen vertikalen Windgeschwindigkeiten (bis 20 m/s) bereits an der Wolkenbasis, hohen Wasserdampfübersättigungen (bis 1%) und die durch das Feuer hohen Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln (bis 100000 cm^-3) bilden einen besonderen Rahmen für Aerosol-Wolken Wechselwirkungen.Ein entscheidender Schritt in der mikrophysikalischen Entwicklung einer konvektiven Wolke ist die Aktivierung von Aerosolpartikeln zu Wolkentropfen. Dieser Aktivierungsprozess bestimmt die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen und kann daher die Entwicklung einer konvektiven Wolke und deren Niederschlagsbildung beeinflussen. Die wichtigsten Faktoren, welche die anfängliche Anzahl und Größe der Wolkentropfen bestimmen, sind die Größe und Hygroskopizität der an der Wolkenbasis verfügbaren Aerosolpartikel sowie die vertikale Windgeschwindigkeit. Um den Einfluss dieser Faktoren unter pyro-konvektiven Bedingungen zu untersuchen, wurden numerische Simulationen mit Hilfe eines Wolkenpaketmodells mit detaillierter spektraler Beschreibung der Wolkenmikrophysik durchgeführt. Diese Ergebnisse können in drei unterschiedliche Bereiche abhängig vom Verhältnis zwischen vertikaler Windgeschwindigkeit und Aerosolanzahlkonzentration (w/NCN) eingeteilt werden: (1) ein durch die Aerosolkonzentration limitierter Bereich (hohes w/NCN), (2) ein durch die vertikale Windgeschwindigkeit limitierter Bereich (niedriges w/NCN) und (3) ein Übergangsbereich (mittleres w/NCN). Die Ergebnisse zeigen, dass die Variabilität der anfänglichen Anzahlkonzentration der Wolkentropfen in (pyro-) konvektiven Wolken hauptsächlich durch die Variabilität der vertikalen Windgeschwindigkeit und der Aerosolkonzentration bestimmt wird. rnUm die mikrophysikalischen Prozesse innerhalb der rauchigen Aufwindregion einer pyrokonvektiven Wolke mit einer detaillierten spektralen Mikrophysik zu untersuchen, wurde das Paketmodel entlang einer Trajektorie innerhalb der Aufwindregion initialisiert. Diese Trajektore wurde durch dreidimensionale Simulationen eines pyro-konvektiven Ereignisses durch das Model ATHAM berechnet. Es zeigt sich, dass die Anzahlkonzentration der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration ansteigt. Auf der anderen Seite verringert sich die Größe der Wolkentropfen mit steigender Aerosolkonzentration. Die Reduzierung der Verbreiterung des Tropfenspektrums stimmt mit den Ergebnissen aus Messungen überein und unterstützt das Konzept der Unterdrückung von Niederschlag in stark verschmutzen Wolken.Mit Hilfe des Models ATHAM wurden die dynamischen und mikrophysikalischen Prozesse von pyro-konvektiven Wolken, aufbauend auf einer realistischen Parametrisierung der Aktivierung von Aerosolpartikeln durch die Ergebnisse der Aktivierungsstudie, mit zwei- und dreidimensionalen Simulationen untersucht. Ein modernes zweimomenten mikrophysikalisches Schema wurde in ATHAM implementiert, um den Einfluss der Anzahlkonzentration von Aerosolpartikeln auf die Entwicklung von idealisierten pyro-konvektiven Wolken in US Standardamtosphären für die mittleren Breiten und den Tropen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anzahlkonzentration der Aerosolpartikel die Bildung von Regen beeinflusst. Für geringe Aerosolkonzentrationen findet die rasche Regenbildung hauptsächlich durch warme mikrophysikalische Prozesse statt. Für höhere Aerosolkonzentrationen ist die Eisphase wichtiger für die Bildung von Regen. Dies führt zu einem verspäteten Einsetzen von Niederschlag für verunreinigtere Atmosphären. Außerdem wird gezeigt, dass die Zusammensetzung der Eisnukleationspartikel (IN) einen starken Einfluss auf die dynamische und mikrophysikalische Struktur solcher Wolken hat. Bei sehr effizienten IN bildet sich Regen früher. Die Untersuchung zum Einfluss des atmosphärischen Hintergrundprofils zeigt eine geringe Auswirkung der Meteorologie auf die Sensitivität der pyro-konvektiven Wolken auf diernAerosolkonzentration. Zum Abschluss wird gezeigt, dass die durch das Feuer emittierte Hitze einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung und die Wolkenobergrenze von pyro-konvektive Wolken hat. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dieser Dissertation die Mikrophysik von pyrokonvektiven Wolken mit Hilfe von idealisierten Simulation eines Wolkenpaketmodell mit detaillierte spektraler Mikrophysik und eines 3D Modells mit einem zweimomenten Schema im Detail untersucht wurde. Es wird gezeigt, dass die extremen Bedingungen im Bezug auf die vertikale Windgeschwindigkeiten und Aerosolkonzentrationen einen deutlichen Einfluss auf die Entwicklung von pyro-konvektiven Wolken haben.

Photochemie der Troposphäre in niedrigen und mittleren Breiten: Die Rolle von Konvektion

Ozon (O3) ist in der Atmosphäre ein wichtiges Oxidanz und Treibhausgas. Während die höchsten Konzentrationen in der Stratosphäre beobachtet werden und die vor der gefährlichen UV-Strahlung schützende Ozonschicht bilden, können sich signifikante Änderungen der Ozon-Konzentration in der Region der Tropopause auf das Klima der Erde auswirken. Des Weiteren ist Ozon eine der Hauptquellen für das Hydroxylradikal (OH) und nimmt damit entscheidend Einfluss auf die Oxidationskraft der Atmosphäre. Der konvektive Transport von Ozon und seinen Vorläufergasen aus Regionen nahe der Erdoberfläche in die freie Troposphäre beeinflusst das Budget dieser Spezies in der Tropopausenregion.rnDie Datengrundlage der Studie in der vorliegenden Arbeit basiert auf den flugzeuggetragenen Messkampagnen GABRIEL 2005 (Suriname, Südamerika) sowie HOOVER I 2006 und HOOVER II 2007 (beide in Europa). Mit dem zur Verfügung stehenden Datensatz wird das Ozonbudget in der freien, unbelasteten Hintergrundatmosphäre und in der durch hochreichende Konvektion gestörten, oberen Troposphäre untersucht. Anhand der auf in-situ Messungen von O3, NO, OH, HO2 und dem aktinischen Strahlungsfluss basierten Berechnung der Netto-Ozonproduktionsrate (NOPR) werden für das Messgebiet Ozontendenzen in der unbelasteten Troposphäre abgeleitet und mit Simulationen des globalen Chemie-Transport-Modells MATCH-MPIC verglichen. Mit Hilfe zweier Fallstudien in den Tropen in Südamerika und den mittleren Breiten in Europa werden die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die obere Troposphäre quantifiziert.rnDie Ergebnisse zeigen für die Grenzschicht in niedrigen und mittleren Breiten eine eindeutige Tendenz zur Produktion von Ozon, was für den tropischen Regenwald in der Messregion nicht der allgemeinen Erwartung entsprach, nach der diese Region durch die Zerstörung von Ozon charakterisiert sein sollte. In der oberen Troposphäre ab etwa 7 km wird für die beiden Regionen eine leichte Tendenz zur Ozonproduktion beobachtet. Signifikante Unterschiede zeigen die Ergebnisse für die mittlere Troposphäre. Während die Tropen in dieser Region durch eine eindeutige Tendenz zur Zerstörung von Ozon charakterisiert sind, lässt sich über den mittleren Breiten zwar eine hohe photochemische Aktivität aber keine derart klare Tendenz feststellen. Die hohen Breiten zeichnen sich durch eine neutrale Troposphäre in Bezug auf die Ozontendenz aus und weisen kaum photochemische Aktivität auf. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit dem MATCH-MPIC Modell zeigt in weiten Teilen der Messregionen eine grundlegende Übereinstimmung in der Tendenz zur Produktion oder Zerstörung von Ozon. Die absoluten Werte werden vom Modell aber generell unterschätzt. Signifikante Unterschiede zwischen in-situ Daten und Modellsimulationen werden in der Grenzschicht über dem tropischen Regenwald identifiziert.rnDer Einfluss der Konvektion ist durch eine signifikant erhöhte NOPR gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird in den Tropen mit einem Median-Wert von 0.20 ppbv h−1 eine um den Faktor 3.6 erhöhte NOPR im Vergleich zur ungestörten oberen Troposphäre abgeschätzt. In den mittleren Breiten führt die um eine Größenordnung höhere NO-Konzentration zu einem Wert von 1.89 ppbv h−1, was einer Überhöhung um einen Faktor 6.5 im Vergleich zum ungestörten Zustand entspricht. Diese Ergebnisse zeigen für beide Regionen in der oberen Troposphäre eine erhöhte Ozonproduktion als Folge konvektiver Aktivität. rnrnHochreichende Konvektion ist zudem ein sehr effektiver Mechanismus für den Vertikaltransport aus der Grenzschicht in die obere Troposphäre. Die schnelle Hebung in konvektiven Wolken führt bei Spurengasen mit Quellen an der Erdoberfläche zu einer Erhöhung ihrer Konzentration in der oberen Troposphäre. Die hochgradig löslichen Spurenstoffe Formaldehyd (HCHO) und Wasserstoffperoxid (H2O2) sind wichtige Vorläufergase der HOx-Radikale. Es wird angenommen, dass sie aufgrund ihrer Löslichkeit in Gewitterwolken effektiv ausgewaschen werden.rnIn der vorliegenden Arbeit wird eine Fallstudie von hochreichender Konvektion im Rahmen des HOOVER II Projekts im Sommer 2007 analysiert. Am 19.07.2007 entwickelten sich am Nachmittag am Südostrand eines in nordöstlicher Richtung ziehenden mesoskaligen konvektiven Systems drei zunächst isolierte konvektive Zellen. Flugzeuggetragene Messungen in der Aus- und der Einströmregion einer dieser Gewitterzellen stellen einen exzellenten Datensatz bereit, um die Auswirkungen von hochreichender Konvektion auf die Verteilung verschiedener Spurengase in der oberen Troposphäre zu untersuchen. Der Vergleich der Konzentrationen von Kohlenstoffmonoxid (CO) und Methan (CH4) zwischen der oberen Troposphäre und der Grenzschicht deutet auf einen nahezu unverdünnten Transport dieser langlebigen Spezies in der konvektiven Zelle hin. Die Verhältnisse betragen (0.94±0.04) für CO und (0.99±0.01) für CH4. Für die löslichen Spezies HCHO und H2O2 beträgt dieses Verhältnis in der Ausströmregion (0.55±0.09) bzw. (0.61±0.08). Dies ist ein Indiz dafür, dass diese Spezies nicht so effektiv ausgewaschen werden wie angenommen. Zum besseren Verständnis des Einflusses der Konvektion auf die Budgets dieser Spezies in der oberen Troposphäre wurden im Rahmen dieser Arbeit Boxmodell-Studien für den Beitrag der photochemischen Produktion in der Ausströmregion durchgeführt, wobei die gemessenen Spezies und Photolysefrequenzen als Randbedingungen dienten. Aus den Budgetbetrachtungen für HCHO und H2O2 wird eine Auswascheffizienz von (67±24) % für HCHO und (41±18) % für H2O2 abgeschätzt. Das für H2O2 überraschende Ergebnis lässt darauf schließen, dass dieses Molekül in einer Gewitterwolke deutlich effektiver transportiert werden kann, als aufgrund seiner hohen Löslichkeit aus der Henry-Konstanten zu erwarten wäre. Das Ausgasen von gelöstem H2O2 beim Gefrieren eines Wolkentropfens, d.h. ein Retentionskoeffizient kleiner 1, ist ein möglicher Mechanismus, der zum beobachteten Mischungsverhältnis dieser löslichen Spezies in der Ausströmregion beitragen kann.

The Microphysical Structure of Mesoscale Convective Systems

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-05

Toward assessing the effects of aerosols on deep convection: a numerical study using the WRF-Chemistry model

As the formative agents of cloud droplets, aerosols play an undeniably important role in the development of clouds and precipitation. Few meteorological models have been developed or adapted to simulate aerosols and their contribution to cloud and precipitation processes. The Weather Research and Forecasting model (WRF) has recently been coupled with an atmospheric chemistry suite and is jointly referred to as WRF-Chem, allowing atmospheric chemistry and meteorology to influence each other’s evolution within a mesoscale modeling framework. Provided that the model physics are robust, this framework allows the feedbacks between aerosol chemistry, cloud physics, and dynamics to be investigated. This study focuses on the effects of aerosols on meteorology, specifically, the interaction of aerosol chemical species with microphysical processes represented within the framework of the WRF-Chem. Aerosols are represented by eight size bins using the Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry (MOSAIC) sectional parameterization, which is linked to the Purdue Lin bulk microphysics scheme. The aim of this study is to examine the sensitivity of deep convective precipitation modeled by the 2D WRF-Chem to varying aerosol number concentration and aerosol type. A systematic study has been performed regarding the effects of aerosols on parameters such as total precipitation, updraft/downdraft speed, distribution of hydrometeor species, and organizational features, within idealized maritime and continental thermodynamic environments. Initial results were obtained using WRFv3.0.1, and a second series of tests were run using WRFv3.2 after several changes to the activation, autoconversion, and Lin et al. microphysics schemes added by the WRF community, as well as the implementation of prescribed vertical levels by the author. The results of WRFv3.2 runs contrasted starkly with WRFv3.0.1 runs. The WRFv3.0.1 runs produced a propagating system resembling a developing squall line, whereas the WRFv3.2 runs did not. The response of total precipitation, updraft/downdraft speeds, and system organization to increasing aerosol concentrations were opposite between runs with different versions of WRF. Results of the WRFv3.2 runs, however, were in better agreement in timing and magnitude of vertical velocity and hydrometeor content with a WRFv3.0.1 run using single-moment Lin et al. microphysics, than WRFv3.0.1 runs with chemistry. One result consistent throughout all simulations was an inhibition in warm-rain processes due to enhanced aerosol concentrations, which resulted in a delay of precipitation onset that ranged from 2-3 minutes in WRFv3.2 runs, and up to 15 minutes in WRFv.3.0.1 runs. This result was not observed in a previous study by Ntelekos et al. (2009) using the WRF-Chem, perhaps due to their use of coarser horizontal and vertical resolution within their experiment. The changes to microphysical processes such as activation and autoconversion from WRFv3.0.1 to WRFv3.2, along with changes in the packing of vertical levels, had more impact than the varying aerosol concentrations even though the range of aerosol tested was greater than that observed in field studies. In order to take full advantage of the input of aerosols now offered by the chemistry module in WRF, the author recommends that a fully double-moment microphysics scheme be linked, rather than the limited double-moment Lin et al. scheme that currently exists. With this modification, the WRF-Chem will be a powerful tool for studying aerosol-cloud interactions and allow comparison of results with other studies using more modern and complex microphysical parameterizations.