Abstract. In this work we present downscaling experiments with the Weather Research and Forecasting model (WRF) to test the sensitivity to resolving aerosol–radiation and aerosol–cloud interactions on simulated regional climate for the EURO-CORDEX domain. The sensitivities mainly focus on the aerosol–radiation interactions (direct and semi-direct effects) with four different aerosol optical depth datasets (Tegen, MAC-v1, MACC, GOCART) being used and changes to the aerosol absorptivity (single scattering albedo) being examined. Moreover, part of the sensitivities also investigates aerosol–cloud interactions (indirect effect). Simulations have a resolution of 0.44∘ and are forced by the ERA-Interim reanalysis. A basic evaluation is performed in the context of seasonal-mean comparisons to ground-based (E-OBS) and satellite-based (CM SAF SARAH, CLARA) benchmark observational datasets. The impact of aerosols is calculated by comparing it against a simulation that has no aerosol effects. The implementation of aerosol–radiation interactions reduces the direct component of the incoming surface solar radiation by 20 %–30 % in all seasons, due to enhanced aerosol scattering and absorption. Moreover the aerosol–radiation interactions increase the diffuse component of surface solar radiation in both summer (30 %–40 %) and winter (5 %–8 %), whereas the overall downward solar radiation at the surface is attenuated by 3 %–8 %. The resulting aerosol radiative effect is negative and is comprised of the net effect from the combination of the highly negative direct aerosol effect (−17 to −5 W m−2) and the small positive changes in the cloud radiative effect (+5 W m−2), attributed to the semi-direct effect. The aerosol radiative effect is also stronger in summer (−12 W m−2) than in winter (−2 W m−2). We also show that modelling aerosol–radiation and aerosol–cloud interactions can lead to small changes in cloudiness, mainly regarding low-level clouds, and circulation anomalies in the lower and mid-troposphere, which in some cases, mainly close to the Black Sea in autumn, can be of statistical significance. Precipitation is not affected in a consistent pattern throughout the year by the aerosol implementation, and changes do not exceed ±5 % except for the case of unrealistically absorbing aerosol. Temperature, on the other hand, systematically decreases by −0.1 to −0.5 ∘C due to aerosol–radiation interactions with regional changes that can be up to −1.5 ∘C.

Abstract. In this work we present a sensitivity study of eight WRF (Weather Research and Forecasting model) regional climate simulations for the EURO-CORDEX domain regarding aerosol implementation and their impact on European climate. The sensitivities differ in the aerosol properties (optical characteristics) and effects implemented (direct/indirect), as well as in the aerosol input data used (Tegen, MACv1, MACC, GOCART). Simulations have a resolution of 0.44° and are forced by the ERA-Interim reanalysis. A basic evaluation has been performed against ground (E-OBS) and satellite-based observational data (CMSAF Sarah, Clara). Implementation of the direct radiative effect of aerosol reduces the direct component of the incoming surface solar radiation by 20–30 % in all seasons, due to enhanced aerosol scattering. The diffuse shortwave component augments 30–40 % in summer and 5–8 % in winter, while downward shortwave radiation at the surface is attenuated by 3–8 %. The resulting aerosol radiative effect is negative and stronger in summer (−12 W/m2) than inwinter (−2 W/m2) due to a balance between the more negative direct aerosol effect (−17 to −5 W/m2) and positive changes in the cloud forcing (+5 W/m2) representing the semi-direct effect. We also show that modeling direct and indirect effects can lead to small changes in cloudiness, mainly regarding low-level clouds, and circulation anomalies in the lower and mid-troposphere, which in some cases can be statistically significant. Precipitation is not affected in a consistent pattern by the aerosol implementation and changes do not exceed ±10 %. Temperature, on the other hand, systematically decreases by −0.1 to −0.5 °C due to the direct effect with regional changes that can be up to −1.5 °C.

No abstract

No abstract

Το αντικείμενο μελέτης της διατριβής είναι οι επιδράσεις των ατμοσφαιρικών αιωρούμενων σωματιδίων (αεροζόλ) σε περιοχικές κλιματικές προσομοιώσεις πάνω από την Ευρώπη με το κλιματικό περιοχικό μοντέλο WRF. Μελετώνται κατά κύριο λόγο οι αλληλεπιδράσεις των αεροζόλ με την ακτινοβολία (direct και semi-direct effect) ενώ προσομοιώνονται και οι αλληλεπιδράσεις των αεροζόλ με τα νέφη. Η διατριβή χωρίζεται σε δύο κύρια μέρη. Στο πρώτο μέρος πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις ευαισθησίας διάρκειας 5 ετών (περίοδος 2004-2008) στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές παραμετροποιήσεις των αεροζόλ στο μοντέλο καθώς και διαφορετικά δεδομένα των οπτικών τους ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εισαγωγή της αλληλεπίδρασης αεροζόλ-ακτινοβολίας μειώνει σημαντικά την μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία στην επιφάνεια (-3 με -8%) οδηγώντας σε μείωση της θερμοκρασίας η οποία σε περιοχικό επίπεδο μπορεί να ξεπεράσει και τον 1οC. Η επίδραση στην άμεση και την διάχυτη συνιστώσα της ηλιακής ακτινοβολίας είναι αρκετά πιο ισχυρή με έντονη μείωση της άμεσης και έντονη αύξηση της διάχυτης συνιστώσας. Παρατηρήθηκαν μικρές αλλαγές στην βροχόπτωση και την νεφοκάλυψη ενώ σε συγκεκριμένες περιπτώσεις παρατηρήθηκαν κυκλωνικές ανωμαλίες στο πεδίο του ανέμου πάνω από τα σημεία έντονης ψύξης. Στο πρώτο μέρος έγιναν επίσης πειράματα ευαισθησίας που αφορούν την επιλογή της παραμετροποίησης της νεφοκάλυψης καθώς και την επικοινωνία των παραμετροποιήσεων της ακτινοβολίας και της μικροφυσικής όσον αφορά την ακτίνα των νεφοσταγόνων. Και τα δύο πειράματα αυτά έδειξαν έντονη επίδραση στην ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής πραγματοποιήθηκαν μεγαλύτερης διάρκειας προσομοιώσεις 30 ετών με το περιοχικό μοντέλο WRF οδηγούμενο από το παγκόσμιο μοντέλο CESM1, για το ιστορικό (1971-2000) αλλά και για το μελλοντικό κλίμα (2021-2050) με βάση το σενάριο εκπομπών Rcp8.5. Έγινε χρήση στατικού στο χρόνο πεδίου αεροζόλ όσο και πεδίου αεροζόλ με μειωτική τάση. Η επίδραση των αλληλεπιδράσεων αεροζόλ-ακτινοβολίας ήταν παρόμοια με αυτήν που παρατηρήθηκε στις προσομοιώσεις ευαισθησίας οδηγώντας σε μείωση της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας στην επιφάνεια. Η χρήση ρεαλιστικού πεδίου αεροζόλ με μειωτική τάση κατά την ιστορική περίοδο οδήγησε σε μια αυξητική τάση της ακτινοβολίας (brightening) η οποία είναι σε σύμπτωση με τα παρατηρησιακά δεδομένα. Όλες οι προσομοιώσεις του μελλοντικού κλίματος δείχνουν μια αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από την Ευρώπη σε σχέση με την ιστορική περίοδο. Επίσης η μείωση του οπτικού βάθους των αεροζόλ στην μελλοντική σε σχέση με την ιστορική περίοδο οδηγεί σε αύξηση της ακτινοβολίας στο έδαφος και σε εντατικοποίηση της συνολικής θέρμανσης.