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. Vi vet spesielt lite om hvordan ulike drivhusgasser og partikler påvirker turbulens nær jordas overflate. Hovedmålet med GREAT-prosjektet er 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. Nye observasjoner viser at sotpartikler kan redusere turbulensen i nedre del av atmosfæren, noe som kan ha betydning for hvordan skyer dannes, og for bakkenær luftforurensning og dermed menneskers helse. Globale klimamodeller er forskernes viktigste verktøy for å forstå og framskrive luftkvalitet og klimaendringer. Klarer disse modellene å representere virkelige prosesser knyttet til turbulens godt nok? Vil økte konsentrasjoner av sulfatpartikler og CO2 ha en lignende påvirkning på turbulens som det sotpartiklene har? GREAT undersøker disse spørsmålene ved hjelp av observasjoner av høy kvalitet i kombinasjon med atmosfærisk modellering fra global skala og helt ned til mikroskala. 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. 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 den regionale modellen Weather Research and Forecasting (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 og disse funnene indikerer at globale klimamodeller, og selv regionale modeller med grov oppløsning (~50 km), ikke representerer effekten av klimaendringer på turbulens godt nok. Numeriske modelleksperimenter med den globale modellen Community Earth System Model (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 blir undersøkt i mer detalj ved bruk av modellene WRF 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. Disse simuleringene vil bidra til å svare på spørsmålet om hvor godt globale klimamodeller, med grov oppløsning, klarer å representere finskala meteorologiske prosesser. 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), og modelloppløsning har stor betydning for simuleringer av nedbørsfrekvens over land (Ha et al., 2022).

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.