Desert dust characterization in Northern Africa, Middle East and Europe through regional dust modelling, and satellite-borne and ground-based observations

Tesis doctoral de la Universitat Politècnica de Catalunya. Programa de Doctorat en Enginyeria Ambiental[ES] Una gran cantidad de polvo se moviliza en regiones áridas del planeta y se emite a la atmósfera bajo condiciones meteorológicas favorables. A partir de medidas realizadas en superficie y desde satélite, además de estimaciones obtenidas a partir de modelos, se calcula que en todo el planeta se emiten entre centenares y miles de megatoneladas de polvo cada año. El impacto que tiene el polvo mineral en el clima, los ecosistemas y la calidad del aire, y por lo tanto, en la salud humana y en las actividades económicas, representa una cuestión social y científica de gran relevancia. La fuente más importante de emisión de polvo mineral a nivel global es la región del Sáhara.[EN] A large amount of mineral dust is mobilized over arid regions and injected into the atmosphere under favourable weather conditions. Estimates of global dust input based on ground based and satellite observations, and modelling studies range from several hundred to thousands megatons per year. The impact of mineral dust upon climate, ecosystems and air quality (and consequently on economic activities and human health) represents a major scientific and societal issue. The most prominent example of this transport is the export of desert mineral dust from the Saharan region

Desert dust characterization in Northern Africa, Middle East and Europe through regional dust modelling, and satellite-borne and ground-based observations

The impact of mineral dust upon climate, ecosystems and air quality represents a major scientific and societal issue. The aim goals of the present Ph.D. Thesis are to evaluate the behaviour and to improve the forecasting skills of a regional dust model and to characterize the desert dust content in Northern Africa, Europe and Middle East. An aerosol characterization was performed using long-term series of aerosol optical depth (AOD) from AERONET sun photometers. The results showed that mineral dust was the most important constituent in Northern Africa and Arabia. Small particles were abundant in sites close to urban and industrial areas of Continental and Eastern Europe and Middle East, and important contributions of biomass burning were observed in the sub-Sahel region in winter. Desert dust transport to Southern Europe was observed from spring to autumn and decreasing with latitude with contributions above 40% to the aerosol column load. Dust models are essential to complement dust-related observations, understand the dust processes and predict the impact of dust on air quality. Despite that the BSC-DREAM8b model has reached a level of delivering reliable operational dust forecasts, it is necessary to conduct an extensive evaluation of its behaviour. The BSC-DREAM8b and the original DREAM models and different research model versions were evaluated over Northern Africa, Mediterranean and Middle East using AERONET measurements and seasonal averages from satellite aerosol products. The model evaluation highlighted that BSC-DREAM8b and DREAM strongly underestimated the dust fields in the Sahel during winter and overestimated dust concentrations during spring rainy events in the Mediterranean. The introduction of new dry deposition scheme and an updates in the wet deposition scheme improved the long-range transport, although significant underestimation remained in the Sahel in winter. The inclusion of a preferential source mask improved the localization of the main North African sources and the long-range dust transport to Europe and Atlantic regions. The inclusion of a more physically-based dust emission scheme with a new soil texture database led to reasonably good results at source areas and subsequent long-range transport. In this case, the use of a preferential source mask didn¿t introduce significant improvements. The long-range dust transport over Europe was evaluated and analysed with an annual simulation of the CALIOPE air quality modelling system. CALIOPE includes CMAQ which calculates biogenic, anthropogenic and sea salt aerosol; and BSC-DREAM8b which provides desert dust. For the evaluation, we used daily PM10, PM2.5 and aerosol components from the EMEP/CREATE network; total, coarse and fine AOD from AERONET and seasonal averages from satellite aerosol products. Overall CALIOPE could reproduce reasonably well the daily variability of the main components and the seasonal aerosol patterns in Europe. However, the PM and AOD levels were underestimated. The most underestimated aerosol components were carbonaceous matter and secondary inorganic aerosols (SIA). A simple model bias correction based on the chemical composition observations was applied to the model simulation to provide an estimation of the spatial and seasonal distribution of aerosols over Europe. The simulated aerosol concentrations presented maximum values over the industrialized and populated areas of the Po Valley and the Benelux regions. SIA were dominant in the fine fractions representing up to 80% of the aerosol budget in latitudes beyond 40ºN. A second maximum was detected over Eastern and Southern Europe. High values in Southern Europe were linked to Saharan dust transport which contributed up to 40% of the total aerosol mass. Maxima dust seasonal concentrations were found between spring and early autumn. These results showed that desert dust is the main responsible of the exceedances of the PM10 EU air quality threshold in large areas south of 45ºN.Una gran quantitat de pols que és mobilitzada en les regions àrides del planeta, és injectada a l’atmosfera sota condicions meteorològiques favorables. A partir de mesures terrestres i de satèl·lit, a més a més d’estimacions obtingudes a partir de models, es calcula que en tot el planeta s’emeten entre centenars i milers de megatones de pols per any. L’impacte que té la pols mineral en el clima, els ecosistemes i la qualitat de l’aire, i per tant, en la salut humana i les activitats econòmiques, representa una qüestió social i científica de gran rellevància. La font més important d’emissió de pols mineral a nivell global és la regió del Sàhara. Els principals objectius de la present tesi doctoral són el d'avaluar el comportament i el de millorar les capacitats de predicció d'un model regional de pols així com el de caracteritzar el contingut de pols desèrtica en el nord d'Àfrica, Orient Mitjà i Europa. En aquest marc de treball, el model regional de pols BSC-DREAM8b i els fotòmetres de la xarxa internacional AERONET són les principals eines que seràn utilitzades en el transcurs de la present investigació. La comparació entre valors observats i simulats no pot ser adequadament entesa si les mesures no estan separades en els seus components fonamentals. Així, es va dur a terme una caracterització d'aerosols per al nord d'Àfrica, Europa i Orient Mitjà. Aquesta caracterització està basada en sèries d'espessor òptic d'aerosols (AOD; Aerosol Optical Depth en anglès) dels fotòmetres de la xarxa AERONET. L'anàlisi d'aquesta base de dades es va realitzar aplicant el mètode de Gobbi i co-autors. Aquest mètode gràfic permet deduir diferents propietats òptiques i físiques dels aerosols (com són el radi efectiu del mode fi i la contribució de les fraccions fines i gruixudes a l’AOD), a més a més, de diferenciar entre diferents processos que fan augmentar el valor de l’AOD com són la humidificació i/o coagulació de les fraccions fines o l'increment de partícules més gruixudes a causa de la presència de núvols. Els resultats van mostrar que la pols mineral és l'aerosol més important al nord d'Àfrica i Aràbia. En estacions properes a zones urbanes i industrials de regions continentals i de l'est d'Europa i Orient Mitjà es van observar partícules fines associades a fonts antropogèniques. També es van detectar importants contribucions en les fraccions fines degudes a la crema de biomassa a la zona del sub-Sahel durant l'hivern. El transport de pols desèrtica cap al sud d'Europa està associat a determinats patrons meteorològics estacionals. Com a resultat, en zones del sud d'Europa, la pols desèrtica es va observar entre primavera i tardor, i la seva contribució (que va arribar superar el 40%) decreixia cap a latituds més al nord. En aquest darrer cas, la pols desèrtica acostumava a trobar-se barrejada amb altres tipus d'aerosols d'origen antropogènic Els models de pols són essencials per complementar les observacions, entendre els processos associats al cicle de la pols i predir el seu impacte en les concentracions en superfície del material particulat (PM; Particulate Matter en anglès). En particular, els models regionals són adequats per a la simulació d'episodis individuals d’instrusió de pols desèrtica. Actualment, el model de pols BSC-DREAM8b és mantingut i desenvolupat en el Barcelona Supercomputing Center – Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS). En els darrers anys, el model ha proporcionat prediccions diàries de concentracions de pols desèrtica en dos dominis: Nord d'Àfrica-Europa – Europa - Orient Mitjà i Àsia. A pesar que el BSCDREAM8b ha arribat a aconseguir una qualitat de pronòstic operacional capaç de reproduir els episodis d'intrusió saharians més importants que afecten al Mediterrani i Europa, és necessari avaluar el seu comportament en regions font de pols. En aquest context, el model BSC-DREAM8b i la seva versió original, DREAM, així com diferents versions experimentals, van ser avaluats per a un cicle estacional complet utilitzant les dades de la xarxa AERONET i promitjos estacionals de productes d'aerosols de diferents satèl·lits pel Nord d'Àfrica, Orient Mitjà i Europa. Els resultats de l'avaluació del model van mostrar que tant el BSC-DREAM8b com el DREAM subestimaven les concentracions de pols a la regió del Sahel durant l'estació hivernal del Harmattan. Per contra, importants sobreestimacions en l'oest del Mediterrani es van detectar coincidint amb episodis plujosos a la primavera. L’inclusió d'un nou esquema de deposició seca a més de l'actualització de la relació de rentat en l'esquema de deposició humida del model, van aconseguir millores en el transport a llarga distància, en particular sobre el Mediterrani malgrat que les subestimacions a la zona del Sahel van continuar sent persistents a l'hivern. La introducció d'una màscara de fonts preferents basada en la topografia del terreny en l'esquema d'emissió va millorar la localització de les principals regions font en el Nord d'Àfrica. Com a conseqüència, es van observar millores en el transport de llarga distància cap a Europa i les regions Atlàntiques. La inclusió d'un nou esquema d'emissió (que inclou parametritzacions físiques més complexes) a més d'una nova base de dades de textura de sòls va aconseguir bons resultats en regions font així com en regions afectades pel transport de pols a llarga distància. En aquest cas, l’introducció d'una màscara de fonts preferents en l'esquema d'emissió no va mostrar significants millores en comparació dels valors observats. A Europa, es poden trobar diferents tipus d'aerosols associats a diferents fonts d'emissió (tant naturals com antropogèniques) que s’han de tenir en compte quan s'analitzen les contribucions dels aerosols sobre el continent europeu. El transport de pols sahariana cap a sud d'Europa va ser avaluat i analitzat mitjançant una simulació del sistema de modelització de qualitat de l'aire CALIOPE. El sistema de modelització CALIOPE integra un conjunt de models dels quals el BSC-DREAM8b i el model fotoquímic CMAQ proporcionen les estimacions d'aerosols. Per a l'avaluació de CALIOPE es van utilitzar diverses fonts de dades de xarxes en superfície (com la xarxa europea de qualitat de l'aire EMEP/CREATE i la xarxa de AERONET) i mitjanes estacionals de productes d'aerosols de satèl.lits. L'avaluació va mostrar que malgrat subestimar les concentracions d'aerosols, CALIOPE va ser capaç de capturar les variabilitats diàries observades en les estacions en superfície així com reproduir els patrons estacionals observats en els productes de satèl·lit. L'avaluació dels aerosols per components va mostrar que les espècies químiques amb major subestimació pel que fa a les observacions estaven associades a les fraccions fines de carbó elemental i orgànic així com els aerosols secundaris inorgànics (nitrats, sulfats i amoni). Com a resultat, es va aplicar un senzill mètode de correcció de l’error als resultats de la simulació basat en les observacions de la composició química per tal de mostrar una estimació espaial i temporal de la distribució dels diferents aerosols presents a Europa. L'anàlisi de d’aquesta simulació va mostrar que les màximes concentracions d'aerosols es localitzen a les zones poblades i industrialitzades del Benelux i de la Vall del Po. Aquests màxims estan associats a les fraccions fines compostes d'aerosols secundaris inorgànics (observant-se contribucions de més del 80%). Màxims secundaris es van detectar a l'est i sud d'Europa. Les altes concentracions en el sud d'Europa s’associaven al transport de pols sahariana que contribuïa en més d'un 40% al total de la massa en columna. Prop de la superfície, les màximes concentracions estacionals associades al transport de pols (> 30 microg/m3) van ser observades entre primavera i estiu. A més a més, els resultats de la simulació anual d'aerosols per Europa va mostrar que el transport de pols sahariana és el principal responsable de la superació del límit diari de PM10 establert per la Unió Europea (50 microg/m3) en extenses àrees al sud dels 45ºN.Postprint (published version

Saharan dust deposition may affect phytoplankton growth in the mediterranean sea at ecological time scales

The surface waters of the Mediterranean Sea are extremely poor in the nutrients necessary for plankton growth. At the same time, the Mediterranean Sea borders with the largest and most active desert areas in the world and the atmosphere over the basin is subject to frequent injections of mineral dust particles. We describe statistical correlations between dust deposition over the Mediterranean Sea and surface chlorophyll concentrations at ecological time scales. Aerosol deposition of Saharan origin may explain 1 to 10% (average 5%) of seasonally detrended chlorophyll variability in the low nutrient-low chlorophyll Mediterranean. Most of the statistically significant correlations are positive with main effects in spring over the Eastern and Central Mediterranean, conforming to a view of dust events fueling needed nutrients to the planktonic community. Some areas show negative effects of dust deposition on chlorophyll, coinciding with regions under a large influence of aerosols from European origin. The influence of dust deposition on chlorophyll dynamics may become larger in future scenarios of increased aridity and shallowing of the mixed layerPostprint (published version

Effect of terrain relief on dust transport over complex terrains in West Asia

This work investigates the impact of orography on dust transport using the multi-scale NMMB/BSC-Dust model. For this purpose, two model simulations at horizontal resolutions of 0.03º x 0.03º (Low-resolution; LR) and 0.3º x 0.3º (High-resolution; HR) are performed and analysed covering two intense dust storms that occurred in West Asia in March 2012. Differences between both simulations emerge when the dust storms reach the south and west Arabian Peninsula where its complex topography affected meteorology and dust fields in many ways. The HR simulation is better than the LR simulation at reproducing the topography and its topographic effects on meteorology, such as developing orographic clouds, wind speed bias reduction under the dust flows (larger than 5 m/s) and more accurate wind directions, as well as on dust fields, such as a more realistic representation of dust channeling/blocking. Consequently, it improves dust forecasts in the vicinity of complex terrains

Airborne dust: from R and D to operational forecast. 2013-2015 Activity Report of the SDS-WAS Regional Center for Northern Africa, Middle East and Europe

The 17th World Meteorological Congress designated the consortium of AEMET and Barcelona Supercomputing Center (BSC) to host the first WMO Regional Meteorological Center specialized on Atmospheric Sand and Dust Forecast. The new center operationally generates and distributes dust forecasts under the name of Barcelona Dust Forecast Center. This decision recognizes the research activities and the products implemented by AEMET and BSC as a valuable contribution to the WMO Sand and Dust Storm – Warning Advisory and Assessment System (SDS-WAS). The services provided by the Barcelona Dust Forecast Center allow for the development of strategies to minimize the severe impacts caused by atmospheric dust on lives and property in Northern Africa, Middle East and Europe. This report summarizes the activities of the SDS-WAS Regional Center for Northern Africa, Middle East and Europe for 2013-2015 and shows the great success of the SDS-WAS project

High-resolution dust modelling over complex terrains in West Asia

The present work demonstrates the impact of model resolution in dust propagation in a complex terrain region such as West Asia. For this purpose, two simulations using the NMMB/BSC-Dust model are performed and analysed, one with a high horizontal resolution (at 0.03° × 0.03°) and one with a lower horizontal resolution (at 0.33° × 0.33°). Both model experiments cover two intense dust storms that occurred on 17–20 March 2012 as a consequence of strong northwesterly Shamal winds that spanned over thousands of kilometres in West Asia. The comparison with ground-based (surface weather stations and sunphotometers) and satellite aerosol observations (Aqua/MODIS and MSG/SEVIRI) shows that despite differences in the magnitude of the simulated dust concentrations, the model is able to reproduce these two dust outbreaks. Differences between both simulations on the dust spread rise on regional dust transport areas in south-western Saudi Arabia, Yemen and Oman. The complex orography in south-western Saudi Arabia, Yemen and Oman (with peaks higher than 3000 m) has an impact on the transported dust concentration fields over mountain regions. Differences between both model configurations are mainly associated to the channelization of the dust flow through valleys and the differences in the modelled altitude of the mountains that alters the meteorology and blocks the dust fronts limiting the dust transport. These results demonstrate how the dust prediction in the vicinity of complex terrains improves using high-horizontal resolution simulations.Postprint (updated version

Development and evaluation of the BSC-DREAM8b dust regional model over Northern Africa, the Mediterranean and the Middle East

The BSC-DREAM8b model and its predecessor are analysed in terms of aerosol optical depth (AOD) for 2004 over Northern Africa, the Mediterranean and the Middle East. We discuss the model performance and we test and analyse its behaviour with new components. The results are evaluated using hourly data from 44 AERONET stations and seasonally averaged satellite observations. The operational versions strongly underestimate the winter AOD over the Sahel and overestimate the AOD over the Middle East and the Mediterranean achieving a low average annual correlation ( 0.35). The use of a more detailed size distribution and a corrected wash-out ratio, together with a new dry deposition scheme, improves the transport over the Mediterranean, although underestimations remain over the Sahel and overestimations over the Middle East. The inclusion of a ‘preferential source’ mask improves the localisation of the main North African sources and consequently the dust transport towards Europe and the Atlantic. The use of a more physically based dust emission scheme and a new soil texture database leads to significant improvements in the representation of emissions and the transport over the Sahel, achieving an average annual correlation of 0.53. In this case, the use of a preferential source mask does not introduce significant improvements.This work was funded by the project CICYT CGL2006-11879 of the Spanish Ministry of Education and Science