GREenhouse gases, Aerosols and lower atmospheric Turbulence

Hvordan påvirker gasser og partikler turbulens nær jordoverflaten? Økende konsentrasjoner av CO2 og andre drivhusgasser i atmosfæren fører til høyere temperatur nær jordas overflate. Når mengden drivhusgasser og partikler (f.eks. sot) øker, har det mange konsekvenser for klimaet på jorden. Det har vært lite kunnskap om hvordan ulike drivhusgasser og partikler påvirker turbulens nær jordas overflate. Hovedmålet med GREAT-prosjektet var å betraktelig øke kunnskapen på dette området. Turbulens er et høyst samfunnsrelevant tema med forbindelser til menneskers helse, fysiske skader på infrastruktur og karbonsyklusen. Sotpartikler i atmosfæren er kjent som en luftforurensning som er skadelig for mennesker, men de gir også et betydelig bidrag til klimaendringer. Slike partikler kan også påvirke turbulens i nedre del av atmosfæren (Quaas et al., 2024, AGU Advances). Resultater fra globale klimamodeller viser at sotpartikler har sterk påvirkning på stabiliteten i den nedre delen av atmosfæren (Myhre et al., 2018, Nat. Comm.), og dette kan være en viktig indikator for turbulensendringer. I motsetning til andre klimadrivere (f.eks. CO2), fører sotpartiklene til at den nedre delen av atmosfæren blir mer stabil, og dette fører igjen til en reduksjon i følbar varmefluks. Følbar varme er transport av varme fra bakken til atmosfæren (uten faseendring) og er en av de mest usikre faktorene i det globale energibudsjettet, noe som også har konsekvenser for nedbørsmodellering (Myhre et al., 2024, Frontiers in Climate). Modellresultater viser også at sotpartikler fører til en generell reduksjon i vindstyrke nær bakken, noe som er i tråd med observasjonene som viser at sot fører til mindre turbulens i den nedre delen av atmosfæren. Effekten av økte CO2-konsentrasjoner i atmosfæren har blitt studert med en regional modell (WRF) med ulik horisontal oppløsning (50 km og 10 km). Resultatene viser at for viktige indikatorer for turbulens (f.eks. vertikalhastighet og grenselagshøyde) kan endringene som følge av CO2-økning være svært avhengige av modelloppløsning (Hodnebrog et al., 2021, Clim. Dyn.). I områder med mye konveksjon, som i stor grad styrer grenselagshøyden og påvirker turbulens, viser resultatene forskjellig fortegn i 50 og 10 km oppløsning. Dette skyldes at konveksjonen blir bedre representert i modellen ved høy oppløsning. Disse funnene indikerer at verken globale klimamodeller eller regionale modeller med grov oppløsning (~50 km) representerer effekten av klimaendringer på turbulens godt nok. Numeriske modelleksperimenter med en global modell (CESM) viser tydelige forskjeller i hvordan ulike klimadrivere påvirker stabilitet og turbulens i nedre del av atmosfæren (Stjern et al., 2023, Nat. Comm.). Resultater fra de nyeste globale klimamodellene (CMIP6) viser at fremtidsscenarier med økt CO2 og reduserte partikkelutslipp gir en nedgang i intense forurensningsepisoder, pga. kraftig økning i turbulens og grenselagshøyde. Områder med mye partikkelforurensning har blitt undersøkt i mer detalj ved bruk av modellene WRF-LES og WRF-Chem. Modellsimuleringer utføres for et forurenset område i Asia, for å studere effekter av sot og CO2 på turbulens og meteorologi nær bakken. Disse simuleringene utføres ved bruk av WRF-LES-modellen med en horisontal oppløsning som er typisk for de globale klimamodellene (50-100 km), og helt ned til 100 m rutenettavstand (Stjern et al., innsendt manuskript). Simuleringer med WRF-Chem over Asia viser at partikkelutslipp fører til særdeles stor reduksjon i turbulens nær bakken i India, og dette fører til forsterket forurensning og dermed negative helseeffekter (Hodnebrog et al., innsendt manuskript). Partikkelutslippene påvirker også potensialet for fornybar energiproduksjon (sol- og vindkraft) i Asia (Hodnebrog et al., in prep.). I et stort europeisk samarbeid som sammenligner regionale modeller, har nytteverdien av høy modelloppløsning (~3 km), i forhold til lavoppløselig regionale og globale modellsimuleringer, blitt undersøkt. Det er f.eks. svært viktig for turbulensberegninger å ha en korrekt representasjon av bakketemperatur i modellene, pga. effekten på følbar varmefluks. Resultatene indikerer at høyere oppløsning kun fører til små forbedringer i simuleringer av bakketemperatur (Soares et al., 2022), med varmere hetebølgetemperaturer når høy oppløsning er brukt (Sangelantoni et al., 2023). Det er fordelaktig å benytte høy oppløsning ved simuleringer av vind nær bakken, særlig i komplekst terreng nær kysten (Belusic et al., 2023; Molina et al., 2024), og modelloppløsning har stor betydning for simuleringer av nedbørsfrekvens over land (Ha et al., 2022). GREAT-prosjektet har bidratt med viktig ny kunnskap om sammenhengen mellom klimaendringer og turbulens. Dette er viktig grunnforskning, men har også betydning for valgene som beslutningstakere må gjøre for å redusere lokal luftforurensning og påfølgende negative helseeffekter.

GREAT har bidratt til betydelig økning i kunnskapen om koblingen mellom klimaendringer og turbulens, og dermed bidratt med vesentlig grunnforskning til dette forskningsfeltet. En del resultater har også nytteverdi langt utover forskningsfeltet. For eksempel er resultatene i Stjern et al. (2023, Nat. Comm.) og to oppfølgingsstudier særdeles nyttige for politikere og andre beslutningstakere som jobber med å redusere luftforurensning, spesielt i Sør- og Øst-Asia. I tillegg forventes resultatene fra et av oppfølgingsstudiene å ha betydning for de som planlegger fornybar energiproduksjon, f.eks. solcelleanlegg og vindkraftanlegg. Prosjektet har i tillegg bidratt med betydelig kompetanseheving for de involverte CICERO-forskerne, og prosjektlederen har tatt et stort steg i karriereutviklingen.

The GREAT project investigates turbulence in the lower parts of the atmosphere. Turbulence is a topic of high societal relevance, with connections to human health, physical damage to infrastructure, and the carbon cycle. Yet, little is known of how the various anthropogenic climate drivers, such as greenhouse gases and aerosols, affect atmospheric turbulence near the Earth's surface. GREAT aims to substantially increase our understanding on this issue. Soot particles are hazardous air pollutants and important contributors to climate change. Observations have now shown that soot particles can reduce turbulence in the lower atmosphere. These new findings could have implications for cloud formation and human health through air pollution. Are global models, our best tools for understanding and projecting air quality and climate change, able to represent these processes adequately? Do elevated concentrations of sulphate particles and CO2 concentrations show similar connections with turbulence? GREAT seeks to answer these questions by using high-quality observations from several sites and sources in combination with atmospheric modelling tools ranging from global to microscale. GREAT represents the next step towards a more fundamental understanding of the broad climate impact of anthropogenic emissions. The project leader will build on his own experience, and the expertise of the project group, to become an international expert in a key field of atmospheric research.