Multi-sectoral Impact Assessment of an Extreme African Dust Episode in the Eastern Mediterranean in March 2018

In late March 2018, a large part of the Eastern Mediterranean experienced an extraordinary episode of African dust, one of the most intense in recent years, here referred to as the “Minoan Red” event. The episode mainly affected the Greek island of Crete, where the highest aerosol concentrations over the past 15 yeas were recorded, although impacts were also felt well beyond this core area. Our study fills a gap in dust research by assessing the multi-sectoral impacts of sand and dust storms and their socioeconomic implications. Specifically, we provide a multi-sectoral impact assessment of Crete during the occurrence of this exceptional African dust event. During the day of the occurrence of the maximum dust concentration in Crete, i.e. March 22nd, 2018, we identified impacts on meteorological conditions, agriculture, transport, energy, society (including closing of schools and cancellation of social events), and emergency response systems. As a result, the event led to a 3-fold increase in daily emergency responses compare to previous days associated with urban emergencies and wildfires, a 3.5-fold increase in hospital visits and admissions for Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) exacerbations and dyspnoea, a reduction of visibility causing aircraft traffic disruptions (eleven cancellations and seven delays), and a reduction of solar energy production. We estimate the cost of direct and indirect effects of the dust episode, considering the most affected socio-economic sectors (e.g. civil protection, aviation, health and solar energy production), to be between 3.4 and 3.8 million EUR for Crete. Since such desert dust transport episodes are natural, meteorology-driven and thus to a large extent unavoidable, we argue that the efficiency of actions to mitigate dust impacts depends on the accuracy of operational dust forecasting and the implementation of relevant early warning systems for social awareness

Assessment of the sensitivity of model responses to urban emission changes in support of emission reduction strategies

© 2023 The Author(s). This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY), https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/The sensitivity of air quality model responses to modifications in input data (e.g. emissions, meteorology and boundary conditions) or model configurations is recognized as an important issue for air quality modelling applications in support of air quality plans. In the framework of FAIRMODE (Forum of Air Quality Modelling in Europe, https://fairmode.jrc.ec.europa.eu/) a dedicated air quality modelling exercise has been designed to address this issue. The main goal was to evaluate the magnitude and variability of air quality model responses when studying emission scenarios/projections by assessing the changes of model output in response to emission changes. This work is based on several air quality models that are used to support model users and developers, and, consequently, policy makers. We present the FAIRMODE exercise and the participating models, and provide an analysis of the variability of O3 and PM concentrations due to emission reduction scenarios. The key novel feature, in comparison with other exercises, is that emission reduction strategies in the present work are applied and evaluated at urban scale over a large number of cities using new indicators such as the absolute potential, the relative potential and the absolute potency. The results show that there is a larger variability of concentration changes between models, when the emission reduction scenarios are applied, than for their respective baseline absolute concentrations. For ozone, the variability between models of absolute baseline concentrations is below 10%, while the variability of concentration changes (when emissions are similarly perturbed) exceeds, in some instances 100% or higher during episodes. Combined emission reductions are usually more efficient than the sum of single precursor emission reductions both for O3 and PM. In particular for ozone, model responses, in terms of linearity and additivity, show a clear impact of non-linear chemistry processes. This analysis gives an insight into the impact of model’ sensitivity to emission reductions that may be considered when designing air quality plans and paves the way of more in-depth analysis to disentangle the role of emissions from model formulation for present and future air quality assessments.Peer reviewe

Multi-sectoral impact assessment of an extreme African dust episode in the Eastern Mediterranean in March 2018

In late March 2018, a large part of the Eastern Mediterranean experienced an extraordinary episode of African dust, one of the most intense in recent years, here referred to as the “Minoan Red” event. The episode mainly affected the Greek island of Crete, where the highest aerosol concentrations over the past 15 yeas were recorded, although impacts were also felt well beyond this core area. Our study fills a gap in dust research by assessing the multi-sectoral impacts of sand and dust storms and their socioeconomic implications. Specifically, we provide a multi-sectoral impact assessment of Crete during the occurrence of this exceptional African dust event. During the day of the occurrence of the maximum dust concentration in Crete, i.e. March 22nd, 2018, we identified impacts on meteorological conditions, agriculture, transport, energy, society (including closing of schools and cancellation of social events), and emergency response systems. As a result, the event led to a 3-fold increase in daily emergency responses compare to previous days associated with urban emergencies and wildfires, a 3.5-fold increase in hospital visits and admissions for Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) exacerbations and dyspnoea, a reduction of visibility causing aircraft traffic disruptions (eleven cancellations and seven delays), and a reduction of solar energy production. We estimate the cost of direct and indirect effects of the dust episode, considering the most affected socio-economic sectors (e.g. civil protection, aviation, health and solar energy production), to be between 3.4 and 3.8 million EUR for Crete. Since such desert dust transport episodes are natural, meteorology-driven and thus to a large extent unavoidable, we argue that the efficiency of actions to mitigate dust impacts depends on the accuracy of operational dust forecasting and the implementation of relevant early warning systems for social awareness.Thanks are due to FCT/MCTES for the financial support to CESAM (UIDP/50017/2020+UIDB/50017/2020) through national funds, and also to the Icelandic Research Fund for the grant no. 207057-051. Authors S. Kazadzis and P. Kosmopoulos would like to acknowledge the European Commission project EuroGEO e-shape (grant agreement No 820852). Also, International Cooperative for Aerosol Prediction (ICAP) and NASA mission researchers are gratefully for providing aerosol data for this study. Aurelio Tobias was supported by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 (grant CEX2018-000794-S). S. Kutuzov acknowledges the Megagrant project (agreement No. 075-15-2021-599, 8.06.2021)

Global Air Quality and COVID-19 Pandemic : Do We Breathe Cleaner Air?

The global spread of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) has challenged most countries worldwide. It was quickly recognized that reduced activities (lockdowns) during the Coronavirus Disease of 2019 (COVID-19) pandemic produced major changes in air quality. Our objective was to assess the impacts of COVID-19 lockdowns on groundlevel PM2.5, NO2, and O-3 concentrations on a global scale. We obtained data from 34 countries, 141 cities, and 458 air monitoring stations on 5 continents (few data from Africa). On a global average basis, a 34.0% reduction in NO2 concentration and a 15.0% reduction in PM2.5 were estimated during the strict lockdown period (until April 30, 2020). Global average O-3 concentration increased by 86.0% during this same period. Individual country and continent-wise comparisons have been made between lockdown and business-as-usual periods. Universally, NO2 was the pollutant most affected by the COVID-19 pandemic. These effects were likely because its emissions were from sources that were typically restricted (i.e., surface traffic and non-essential industries) by the lockdowns and its short lifetime in the atmosphere. Our results indicate that lockdown measures and resulting reduced emissions reduced exposure to most harmful pollutants and could provide global-scale health benefits. However, the increased O-3 may have substantially reduced those benefits and more detailed health assessments are required to accurately quantify the health gains. At the same, these restrictions were obtained at substantial economic costs and with other health issues (depression, suicide, spousal abuse, drug overdoses, etc.). Thus, any similar reductions in air pollution would need to be obtained without these extensive economic and other consequences produced by the imposed activity reductions.Peer reviewe

Ενα ολοκληρωμένο ατμοσφαιρικό μοντέλο για τη προσομοίωση φυσικών και χημικών διεργασιών

This doctoral work aims at an enhanced understanding of the complex links and feedbacks between natural and anthropogenic pollutants and the radiation-cloud-precipitation cycle in the atmosphere, through direct, semi-direct and indirect interactions. For this scope the development of a proper modelling tool was necessary in order to use it for the coupled simulation of these physical and chemical processes. For this purpose the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) has been extended with gas, aqueous and aerosol phase chemical mechanisms, online photolysis component, biogenic and anthropogenic emissions and a new radiation scheme. The aerosols from the natural and anthropogenic activities have been linked with the radiation and microphysical processes in order to address issues related to their interaction with the radiation budget, cloud properties, precipitation and, consequently, photolytic reaction and chemical processes. The new integrated model is named RAMS/ICLAMS (Regional Atmospheric Modeling System/Integrated Community Limited Area Modeling System). The main results from the application of the model revealed the complex nature of the paths of interaction between the different atmospheric processes. The simulations with and without aerosol impacts showed the contribution of the direct and indirect mechanisms in the atmosphere. Through these mechanisms the alteration of radiation fluxes influences meteorology (temperature, surface fluxes, clouds etc.) and chemistry (photochemical processes, temperature dependent reactions, pollutant advection and diffusion). The effect of aerosols was projected in a linear way on shortwave radiation and a non-linear way on long-wave radiation. Terrestrial upwelling longwave radiation showed a complex daytime behavior, showing both enhancement and attenuation areas. The results indicated that the vertical structure of the dust layer governs the magnitude of feedback on radiation. Sea salt particles also reduce surface shortwave radiation and increase downwelling longwave radiation. The activation of natural particles as CCN causes small changes in radiation fluxes and temperature, however, precipitation is influenced more by the indirect than by the direct and semi-direct effects. The total precipitation of a cloud system is not affected by the presence of the additional CCN but its spatiotemporal characteristics are altered when taking or not taking into account the feedback mechanisms. The inclusion of aerosol radiative effects leads to improved performance of the model regarding both meteorological and air quality parameters.The simulations with the online model gave more accurate results, for ozone and sulphate aerosols, compared to the offline approach (represented by an offline chemical transport model). These results indicate that coupled simulation can add to the accuracy of the model. Apart from the avoidance of interpolation between models (since in the online approach all processes are simulated in the same spatiotemporal configuration), the improvement can be attributed to the online calculation of the photolysis rates.Additionally, the detailed analysis of a characteristic case in the Eastern Mediterranean where both anthropogenic and natural aerosol sources were considered resulted in a model precipitation bias that is half the bias of the non-interactive model. Moreover, the bias is improved in the “natural and anthropogenic” compared to “only natural” simulations. The continuous improvement of the results with the inclusion of the additional information is an indication that a number of physical processes related to the indirect effect are now covered on a more satisfactory way.Τα σωματίδια, είτε φυσικής είτε ανθρωπογενούς προέλευσης, επηρεάζουν την ακτινοβολία απορροφώντας ή/και σκεδάζοντας μέρος της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας. Αυτός ο μηχανισμός είναι γνωστός ως ‘άμεσος’ μηχανισμός αλληλεπίδρασης. Μέσω αυτής της διαδικασίας επηρεάζεται η θερμοδυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας καθώς και η χωροχρονική κατανομή των νεφών και του υετού. Ενας άλλος μηχανισμός αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με τις ατμοσφαιρικές διεργασίες, ονομαζόμενος ‘έμμεσος’ μηχανισμός, δημιουργείται όταν τα σωματίδια πληρούν τις προϋποθέσεις να ενεργοποιηθούν ως πυρήνες συμπύκνωσης (cloud condensation nuclei – CCN) ή παγοποίησης (ice nuclei – IN). Μέσω αυτού του μηχανισμού τα σωματίδια τροποποιούν τις οπτικές ιδιότητες των νεφών καθώς και την χωρική και χρονική κατανομή του παραγόμενου υετού. Οι προαναφερθείσες αλλαγές στα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας επηρεάζουν, σε ένα πολύπλοκο κύκλο, την κατανομή των σωματιδίων και αερίων ρύπων σε όλες τις φάσεις παραγωγής, μεταφοράς και εναπόθεσής τους. Επιπλέον, οι αλλαγές στην θερμοκρασιακή κατανομή και τις ροές ακτινοβολίας τροποποιούν τους ρυθμούς χημικών αντιδράσεων καθώς και τους φωτοχημικούς συντελεστές. Ως αποτέλεσμα αυτών των επιδράσεων, οι συγκεντρώσεις αερίων ρύπων (όπως του όζοντος) εμφανίζουν διαφορές που εξαρτώνται από μια σειρά παραμέτρων, μετεωρολογικής και χημικής φύσεως. Οι φυσικές και χημικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα, ιστορικά, προσομοιώνονται με ξεχωριστά μοντέλα. Με αυτή την προσέγγιση, παρά την υπολογιστικά ελκυστική απόδοσή της, υπάρχουν ασυνέπειες στην περιγραφή των πεδίων (όταν η πληροφορία ανταλλάσσεται από το ένα μοντέλο στο άλλο) καθώς τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούν διαφορετικές χρονικές και χωρικές αναλύσεις και διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων. Επιπλέον, η ξεχωριστή ανάλυση των διεργασιών δεν αφήνει χώρο για την -διπλής κατεύθυνσης- ανταλλαγή πληροφορίας (two way interaction) ώστε να μπορούν να περιγραφούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους.Με την ενίσχυση των αποδείξεων πως αυτές οι αλληλεπιδράσεις παίζουν σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές ποικίλης χρονικής διακύμανσης (από τοπικές προβλέψεις καιρού έως εφαρμογές κλιματικής αλλαγής), όπως αυτές κατεγράφησαν σε ειδικές εκθέσεις από την Διεθνή Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή, η επιστημονική κοινότητα επικέντρωσε τις προσπάθειές της στη δημιουργία μοντέλων που συμπεριλαμβάνουν στο μέγιστο δυνατό βαθμό αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Η εργασία αυτή είναι μέρος της ‘αλλαγής κατεύθυνσης’ προς την νέα επιστημονική έννοια της ‘Πρόβλεψης Χημικού Καιρού’ όπως ονομάστηκε από ειδικούς του χώρου. Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η προσθήκη νέων και η βελτίωση υφιστάμενων μηχανισμών και δυνατοτήτων στο αριθμητικό μοντέλο RAMS όπως αυτό έχει τροποποιηθεί από την Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού (Ο.Α.Μ.Π.Κ.) του ΕΚΠΑ, με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη των αλυσιδωτών αντιδράσεων των μηχανισμών στην ατμόσφαιρα. Το RAMS χρησιμοποιήθηκε ως πυρήνας της ανάπτυξης του ολοκληρωμένου αριθμητικού συστήματος λόγω του αναλυτικού μικροφυσικού σχήματος που περιέχει που δύναται να παίζει σημαντικό ρόλο στην ικανοποιητική προσομοίωση του ατμοσφαιρικού κύκλου του νερού. Oι σχετικές τροποποιήσεις που αφορούν τον άμεσο υπολογισμό (explicit calculation) των πυρήνων συμπύκνωσης και παγοποίησης στην ατμόσφαιρα πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της προηγηθείσας διδακτορικής διατριβής του κυρίου Σταύρου Σολωμού. Το RAMS είναι ένα μοντέλο με δυνατότητες εμφώλευσης (nesting) που έχει χρησιμοποιηθεί από την Ο.Α.Μ.Π.Κ, καθώς και άλλες διεθνείς ομάδες, και έχει ελεχθεί ως προς την απόδοσή του σε ποικίλα ατμοσφαιρικά φαινόμενα. Το RAMS επεκτάθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής με σχήματα χημείας αέριας, υγρής και στερεής φάσης και ατμοσφαιρικού κύκλου φυσικών σωματιδίων (σκόνης και αλατιού). Ο υπολογισμός ρυθμών φωτόλυσης, που καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τα επίπεδα ρύπανσης, ενσωματώθηκε στο μοντέλο ώστε να πραγματοποιηθεί άμεσα (online). To νέο σύστημα εμπλουτίστηκε με την ενσωμάτωση ενός νέου σχήματος ακτινοβολίας, το Rapid Radiative Transfer Model (RRTM), που περιέχει μια λεπτομερέστερη κατανομή μήκους κύματος της ακτινοβολίας σε σχέση με το προϋπάρχον σχήμα (Ηarrington, 1997). Η λεπτομερέστερη κατανομή είναι σημαντική για τον ακριβέστερο υπολογισμό των ρυθμών φωτόλυσης. Οι σημαντικότερες βελτιώσεις του μοντέλου που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής, οι νέες δυνατότητες, καθώς και οι αλληλεπιδράσεις που λαμβάνονται υπόψη αριθμούνται ως εξής: 1.Ενσωμάτωση του υπολογισμού των φωτολυτικών ρυθμών ο οποίος έγινε απευθείας στο σχήμα ακτινοβολίας και λαμβάνει υπόψη την επίδραση νεφών και ρύπων στο ισοζύγιό της.2.Ενσωμάτωση της αέριας χημείας βασιζόμενη στο σχήμα SAPRC99, της χημείας υγρής και στερεής φάσης και για ανόργανες και για οργανικές ενώσεις.3.Επίδραση των φυσικών (σκόνη, αλάτι) και ανθρωπογενών (sulfates, nitrates) σωματιδίων στη -μικρού και μεγάλου μήκος κύματος- ακτινοβολία. Η επίδραση των υδροφιλικών σωματιδίων (αλάτι) λαμβάνει υπόψη και την υγρασία της ατμόσφαιρας, πέρα του μεγέθους των σωματιδίων που λαμβάνεται υπόψη για όλα τα προαναφερθέντα σωματίδια.4.Ενεργοποίηση των ανθρωπογενών σωματιδίων ως πυρήνες συμπύκνωσης (sulfates) επιπλέον των φυσικών σωματιδίων (σκόνη και αλάτι).5.Χρήση βιογενών εκπομπών από παραμετροποίηση από το μοντέλο (online), συμπεριλαμβανομένης και της δυνατότητας χρήσης διαφόρων θερμοκρασιών στο σχήμα παραμετροποίησης. Η χρήση διαφόρων δεδομένων εκπομπών, χρησιμοποιήθηκε ως ένα εργαλείο ελέγχου της ευαισθησίας του μοντέλου. Ειδικότερα ερευνήθηκε η επίδραση εκπομπών από την πολιτική αεροπορία λόγω της σημαντικής αύξησης αυτής της ανθρωπογενούς δραστηριότητας και της ιδιαιτερότητας των εκπομπών της (εκπομπές κυρίως στην μέση και ανώτερη τροπόσφαιρα).Το μοντέλο ονομάστηκε RAMS/ICLAMS (Regional Atmospheric Modeling System/Ιntegrated Community Limited Area Modeling System) και συμπεριλαμβάνεται επίσημα στην λίστα των state-of-the-art ολοκληρωμένων συστημάτων προσομοίωσης του COST action “Enhancing Meso-scale Meteorological Modelling Capabilities for Air Pollution and Dispersion Applications” (ES1004).Το ολοκληρωμένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο για την ανάλυση των άμεσων και έμμεσων επιδράσεων των αερολυμάτων. Tο μοντέλο εφαρμόστηκε σε περιπτώσεις αυξημένων συγκεντρώσεων φυσικών και ανθρωπογενών σωματιδίων και μελετήθηκε η επίδρασή τους πάνω στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, την θερμοδυναμική της ατμόσφαιρας, την κατανομή νεφών και υετού, καθώς και τη συνεπαγόμενη επίδραση των θερμοδυναμικών αλλαγών στη κατανομή των σωματιδίων και τις συγκεντρώσεις του όζοντος

An integrated atmospheric modelling system for the simulation of coupled physical and chemical processes

Τα σωματίδια, είτε φυσικής είτε ανθρωπογενούς προέλευσης, επηρεάζουν την ακτινοβολία απορροφώντας ή/και σκεδάζοντας μέρος της ηλιακής και γήινης ακτινοβολίας. Αυτός ο μηχανισμός είναι γνωστός ως ‘άμεσος’ μηχανισμός αλληλεπίδρασης. Μέσω αυτής της διαδικασίας επηρεάζεται η θερμοδυναμική κατάσταση της ατμόσφαιρας καθώς και η χωροχρονική κατανομή των νεφών και του υετού. Ενας άλλος μηχανισμός αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με τις ατμοσφαιρικές διεργασίες, ονομαζόμενος ‘έμμεσος’ μηχανισμός, δημιουργείται όταν τα σωματίδια πληρούν τις προϋποθέσεις να ενεργοποιηθούν ως πυρήνες συμπύκνωσης (cloud condensation nuclei – CCN) ή παγοποίησης (ice nuclei – IN). Μέσω αυτού του μηχανισμού τα σωματίδια τροποποιούν τις οπτικές ιδιότητες των νεφών καθώς και την χωρική και χρονική κατανομή του παραγόμενου υετού. Οι προαναφερθείσες αλλαγές στα θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας επηρεάζουν, σε ένα πολύπλοκο κύκλο, την κατανομή των σωματιδίων και αερίων ρύπων σε όλες τις φάσεις παραγωγής, μεταφοράς και εναπόθεσής τους. Επιπλέον, οι αλλαγές στην θερμοκρασιακή κατανομή και τις ροές ακτινοβολίας τροποποιούν τους ρυθμούς χημικών αντιδράσεων καθώς και τους φωτοχημικούς συντελεστές. Ως αποτέλεσμα αυτών των επιδράσεων, οι συγκεντρώσεις αερίων ρύπων (όπως του όζοντος) εμφανίζουν διαφορές που εξαρτώνται από μια σειρά παραμέτρων, μετεωρολογικής και χημικής φύσεως. Οι φυσικές και χημικές διεργασίες στην ατμόσφαιρα, ιστορικά, προσομοιώνονται με ξεχωριστά μοντέλα. Με αυτή την προσέγγιση, παρά την υπολογιστικά ελκυστική απόδοσή της, υπάρχουν ασυνέπειες στην περιγραφή των πεδίων (όταν η πληροφορία ανταλλάσσεται από το ένα μοντέλο στο άλλο) καθώς τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούν διαφορετικές χρονικές και χωρικές αναλύσεις και διαφορετικά συστήματα συντεταγμένων. Επιπλέον, η ξεχωριστή ανάλυση των διεργασιών δεν αφήνει χώρο για την -διπλής κατεύθυνσης- ανταλλαγή πληροφορίας (two way interaction) ώστε να μπορούν να περιγραφούν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Με την ενίσχυση των αποδείξεων πως αυτές οι αλληλεπιδράσεις παίζουν σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές ποικίλης χρονικής διακύμανσης (από τοπικές προβλέψεις καιρού έως εφαρμογές κλιματικής αλλαγής), όπως αυτές κατεγράφησαν σε ειδικές εκθέσεις από την Διεθνή Επιτροπή για την Κλιματική Αλλαγή, η επιστημονική κοινότητα επικέντρωσε τις προσπάθειές της στη δημιουργία μοντέλων που συμπεριλαμβάνουν στο μέγιστο δυνατό βαθμό αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Η εργασία αυτή είναι μέρος της ‘αλλαγής κατεύθυνσης’ προς την νέα επιστημονική έννοια της ‘Πρόβλεψης Χημικού Καιρού’ όπως ονομάστηκε από ειδικούς του χώρου. Το αντικείμενο αυτής της διατριβής είναι η προσθήκη νέων και η βελτίωση υφιστάμενων μηχανισμών και δυνατοτήτων στο αριθμητικό μοντέλο RAMS όπως αυτό έχει τροποποιηθεί από την Ομάδα Ατμοσφαιρικών Μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού (Ο. Α.Μ.Π.Κ.) του ΕΚΠΑ, με σκοπό να χρησιμοποιηθεί για την μελέτη των αλυσιδωτών αντιδράσεων των μηχανισμών στην ατμόσφαιρα. Το RAMS χρησιμοποιήθηκε ως πυρήνας της ανάπτυξης του ολοκληρωμένου αριθμητικού συστήματος λόγω του αναλυτικού μικροφυσικού σχήματος που περιέχει που δύναται να παίζει σημαντικό ρόλο στην ικανοποιητική προσομοίωση του ατμοσφαιρικού κύκλου του νερού. Oι σχετικές τροποποιήσεις που αφορούν τον άμεσο υπολογισμό (explicit calculation) των πυρήνων συμπύκνωσης και παγοποίησης στην ατμόσφαιρα πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της προηγηθείσας διδακτορικής διατριβής του κυρίου Σταύρου Σολωμού. Το RAMS είναι ένα μοντέλο με δυνατότητες εμφώλευσης (nesting) που έχει χρησιμοποιηθεί από την Ο.Α.Μ.Π.Κ, καθώς και άλλες διεθνείς ομάδες, και έχει ελεχθεί ως προς την απόδοσή του σε ποικίλα ατμοσφαιρικά φαινόμενα. Το RAMS επεκτάθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής με σχήματα χημείας αέριας, υγρής και στερεής φάσης και ατμοσφαιρικού κύκλου φυσικών σωματιδίων (σκόνης και αλατιού). Ο υπολογισμός ρυθμών φωτόλυσης, που καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τα επίπεδα ρύπανσης, ενσωματώθηκε στο μοντέλο ώστε να πραγματοποιηθεί άμεσα (online). To νέο σύστημα εμπλουτίστηκε με την ενσωμάτωση ενός νέου σχήματος ακτινοβολίας, το Rapid Radiative Transfer Model (RRTM), που περιέχει μια λεπτομερέστερη κατανομή μήκους κύματος της ακτινοβολίας σε σχέση με το προϋπάρχον σχήμα (Ηarrington, 1997). Η λεπτομερέστερη κατανομή είναι σημαντική για τον ακριβέστερο υπολογισμό των ρυθμών φωτόλυσης. Οι σημαντικότερες βελτιώσεις του μοντέλου που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διατριβής, οι νέες δυνατότητες, καθώς και οι αλληλεπιδράσεις που λαμβάνονται υπόψη αριθμούνται ως εξής: 1. Ενσωμάτωση του υπολογισμού των φωτολυτικών ρυθμών ο οποίος έγινε απευθείας στο σχήμα ακτινοβολίας και λαμβάνει υπόψη την επίδραση νεφών και ρύπων στο ισοζύγιό της. 2. Ενσωμάτωση της αέριας χημείας βασιζόμενη στο σχήμα SAPRC99, της χημείας υγρής και στερεής φάσης και για ανόργανες και για οργανικές ενώσεις. 3. Επίδραση των φυσικών (σκόνη, αλάτι) και ανθρωπογενών (sulfates, nitrates) σωματιδίων στη -μικρού και μεγάλου μήκος κύματος- ακτινοβολία. Η επίδραση των υδροφιλικών σωματιδίων (αλάτι) λαμβάνει υπόψη και την υγρασία της ατμόσφαιρας, πέρα του μεγέθους των σωματιδίων που λαμβάνεται υπόψη για όλα τα προαναφερθέντα σωματίδια. 4. Ενεργοποίηση των ανθρωπογενών σωματιδίων ως πυρήνες συμπύκνωσης (sulfates) επιπλέον των φυσικών σωματιδίων (σκόνη και αλάτι). 5. Χρήση βιογενών εκπομπών από παραμετροποίηση από το μοντέλο (online), συμπεριλαμβανομένης και της δυνατότητας χρήσης διαφόρων θερμοκρασιών στο σχήμα παραμετροποίησης. Η χρήση διαφόρων δεδομένων εκπομπών, χρησιμοποιήθηκε ως ένα εργαλείο ελέγχου της ευαισθησίας του μοντέλου. Ειδικότερα ερευνήθηκε η επίδραση εκπομπών από την πολιτική αεροπορία λόγω της σημαντικής αύξησης αυτής της ανθρωπογενούς δραστηριότητας και της ιδιαιτερότητας των εκπομπών της (εκπομπές κυρίως στην μέση και ανώτερη τροπόσφαιρα). Το μοντέλο ονομάστηκε RAMS/ICLAMS (Regional Atmospheric Modeling System/Ιntegrated Community Limited Area Modeling System) και συμπεριλαμβάνεται επίσημα στην λίστα των state-of-the-art ολοκληρωμένων συστημάτων προσομοίωσης του COST action “Enhancing Meso-scale Meteorological Modelling Capabilities for Air Pollution and Dispersion Applications” (ES1004). Το ολοκληρωμένο σύστημα χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο για την ανάλυση των άμεσων και έμμεσων επιδράσεων των αερολυμάτων. Tο μοντέλο εφαρμόστηκε σε περιπτώσεις αυξημένων συγκεντρώσεων φυσικών και ανθρωπογενών σωματιδίων και μελετήθηκε η επίδρασή τους πάνω στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, την θερμοδυναμική της ατμόσφαιρας, την κατανομή νεφών και υετού, καθώς και τη συνεπαγόμενη επίδραση των θερμοδυναμικών αλλαγών στη κατανομή των σωματιδίων και τις συγκεντρώσεις του όζοντος.This doctoral work aims at an enhanced understanding of the complex links and feedbacks between natural and anthropogenic pollutants and the radiation-cloud-precipitation cycle in the atmosphere, through direct, semi-direct and indirect interactions. For this scope the development of a proper modelling tool was necessary in order to use it for the coupled simulation of these physical and chemical processes. For this purpose the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) has been extended with gas, aqueous and aerosol phase chemical mechanisms, online photolysis component, biogenic and anthropogenic emissions and a new radiation scheme. The aerosols from the natural and anthropogenic activities have been linked with the radiation and microphysical processes in order to address issues related to their interaction with the radiation budget, cloud properties, precipitation and, consequently, photolytic reaction and chemical processes. The new integrated model is named RAMS/ICLAMS (Regional Atmospheric Modeling System/Integrated Community Limited Area Modeling System). The main results from the application of the model revealed the complex nature of the paths of interaction between the different atmospheric processes. The simulations with and without aerosol impacts showed the contribution of the direct and indirect mechanisms in the atmosphere. Through these mechanisms the alteration of radiation fluxes influences meteorology (temperature, surface fluxes, clouds etc.) and chemistry (photochemical processes, temperature dependent reactions, pollutant advection and diffusion). The effect of aerosols was projected in a linear way on shortwave radiation and a non-linear way on long-wave radiation. Terrestrial upwelling longwave radiation showed a complex daytime behavior, showing both enhancement and attenuation areas. The results indicated that the vertical structure of the dust layer governs the magnitude of feedback on radiation. Sea salt particles also reduce surface shortwave radiation and increase downwelling longwave radiation. The activation of natural particles as CCN causes small changes in radiation fluxes and temperature, however, precipitation is influenced more by the indirect than by the direct and semi-direct effects. The total precipitation of a cloud system is not affected by the presence of the additional CCN but its spatiotemporal characteristics are altered when taking or not taking into account the feedback mechanisms. The inclusion of aerosol radiative effects leads to improved performance of the model regarding both meteorological and air quality parameters. The simulations with the online model gave more accurate results, for ozone and sulphate aerosols, compared to the offline approach (represented by an offline chemical transport model). These results indicate that coupled simulation can add to the accuracy of the model. Apart from the avoidance of interpolation between models (since in the online approach all processes are simulated in the same spatiotemporal configuration), the improvement can be attributed to the online calculation of the photolysis rates. Additionally, the detailed analysis of a characteristic case in the Eastern Mediterranean where both anthropogenic and natural aerosol sources were considered resulted in a model precipitation bias that is half the bias of the non-interactive model. Moreover, the bias is improved in the “natural and anthropogenic” compared to “only natural” simulations. The continuous improvement of the results with the inclusion of the additional information is an indication that a number of physical processes related to the indirect effect are now covered on a more satisfactory way

Issues Related to On/Offline Meteorological and Atmospheric Chemistry Model Coupling

The online approach consists of the coupled treatment of chemical parameters, simultaneously with the meteorological parameters, in a single integrated modeling system that is referred to as chemical weather modeling. This approach offers the possibility to simulate the links and feedbacks between atmospheric processes that are traditionally neglected in air quality models. Both meteorological and chemical components are expected to benefit from this approach. Both approaches have advantages and disadvantages that make their use appropriate for different applications. This study discusses and evaluates the performance of the online Integrated Community Limited Area Modeling System (RAMS/ICLAMS) and the offline model, Comprehensive Air Quality Model with Extensions (CAMx), for a month long retrospective summertime text period, over Europe and the Greater Mediterranean Area (GMR). The implementation of the same chemical mechanisms, meteorological fields, emissions, initial and boundary conditions makes it easier to compare the results from the two models. However, there are some differences in the physical parameterizations utilized in the two models that are expected to result in differences between them. The feedback mechanisms are not activated in order to evaluate the performance of the two models regarding the advantages that the online approach offers (same projection, no interpolation in time and space, explicit calculation of the meteorological components, availability of the meteorological fields at each time step etc.). Results showed that the online approach gave better results regarding ground 1 h ozone and 24 h sulfate aerosol concentrations improving the main statistical parameters by roughly 20 % and increased correlation from 0.51 to 0.70. The differences may be mainly the outcome of the utilization of different methods for the calculation of the photolysis rates and the interpolation of the meteorological data for use in the offline model

Highly Hygroscopic Particulate in Cloud Environment

Highly hygroscopic aerosols, such as sodium chloride or sulphates are often present in the atmosphere. They can be produced through several natural or anthropogenic processes (ocean spray, fires, volcanoes, anthropogenic emissions). Their hygroscopicity depends on their chemical properties and thus some of them can serve as cloud condensation nuclei (CCN) easier than others having different impacts on the cloud formation. While the interactions of hygroscopic aerosols with water in the atmosphere is more clearly understood, the impact of aerosols in the resulting precipitation remains inconclusive (Rosenfeld et al. 2008). The thermodynamic state, the background aerosol composition of the atmosphere and the topographical variation of the region can modify these impacts. In this study we use a fully coupled modeling system (atmospheric and chemical-RAMS/ICLAMS) in order to study the impact of highly hygroscopic particles in a cloud system, representing the average thermodynamic conditions of winter convective clouds in the eastern Mediterranean. Of particular interest is the analysis of the level of background pollution in such sensitivity studies. For this reason we applied the material dispersion processes to two characteristic air masses with different pollution levels: clean air masses and highly polluted. This study focuses on the contribution of the material dispersion on the size and number of cloud droplets as well as the liquid and ice mass of the respective cloud system. The dispersion of NaCl (Material 1) resulted in decrease of the amount of ground precipitation, while the background pollution affected the distribution of liquid and ice masses as well as the size of the hydrometeors. In respect to the time of cloud development the effect of the material dispersion was more evident in the mature phase of the cloud system