Modeling of deep-convective transport of forest fire smoke into the upper troposphere and lower stratosphere [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Gunnar G. Luderer

Gunnar Luderer <[e-mail]>

Informations

• Publié par: johannes_gutenberg-universitat_mainz
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Modeling of Deep-Convective
Transport of Forest Fire Smoke
into the Upper Troposphere
and Lower Stratosphere
Dissertation
zur Erlangung des Grades
“Doktor der Naturwissenschaften”
am Fachbereich Physik
der Johannes Gutenberg-Universit¨at Mainz
vorgelegt von
Gunnar G. Luderer
geboren in Rottenburg-Wendelsheim
Mainz
Juli 2007Tag der mundlic¨ hen Prufung¨ : 19. September 2007iii
Abstract
Deepconvectionbypyro-cumulonimbusclouds(pyroCb)cantransportlargeamounts
of forest fire smoke into the upper troposphere and lower stratosphere. Here, re-
sults from numerical simulations of such deep convective smoke transport are pre-
sented. The structure, shape and injection height of the pyroCb simulated for a
specific case study are in good agreement with observations. The model results
confirmthatsubstantialamountsofsmokeareinjectedintothelowerstratosphere.
Small-scale mixing processes at the cloud top result in a significant enhancement
of smoke injection into the stratosphere.
Sensitivity studies show that the release of sensible heat by the fire plays an
important role for the dynamics of the pyroCb. Furthermore, the convection is
found to be very sensitive to background meteorological conditions. While the
abundance of aerosol particles acting as cloud condensation nuclei (CCN) has a
strong influence on the microphysical structure of the pyroCb, the CCN effect on
the convective dynamics is rather weak. The release of latent heat dominates the
overallenergybudgetofthepyroCb. Sincemostofthecloudwateroriginatesfrom
moisture entrained from the background atmosphere, the fire-released moisture
contributes only minor to convection dynamics.
Sufficientfireheating,favorablemeteorologicalconditions,andsmall-scalemix-
ingprocesses at the cloud top are identified as the keyingredients for troposphere-
to-stratosphere transport by pyroCb convection.ivv
Zusammenfassung
Pyrocumulonimbus Wolken (PyroCb) k¨onnen große Mengen Rauch aus Wald-
br¨anden in die obere Troposph¨are und untere Stratosph¨are transportieren. In
dieser Arbeit werden Ergebnisse von numerischen Simulationen solcher PyroCb-
Konvektion vorgestellt. Die Form, Struktur und Injektionsh¨ohe der fu¨r eine Fall-
studie simulierten Wolke stimmen gut mit Beobachtungen ub¨ erein. Die Model-
lergebnissebest¨atigeneinenerheblichenEintragvonRauchindieStratosph¨areund
zeigen,dasskleinskaligeVermischungsprozessezueinerdeutlichenVerst¨arkungdes
Raucheintrags in die Stratosph¨are fuhren.¨
Sensitivit¨atsstudien zeigen, dass die vom Feuer erzeugte Hitze einen wichti-
gen Einfluss auf die dynamische Struktur der PyroCb hat. Außerdem wirken sich
meteorologische Bedingungen sehr stark auf die Konvektionsdynamik aus. Die
hohe Anzahl der durch das Feuer emittierten Aerosolpartikel, die als Kondensa-
tionskeime wirken, beeinflusst zwar stark die mikrophysikalischen Eigenschaften
der Wolke, hat aber nur schwache Auswirkungen auf die Konvektionsdynamik.
Die Freisetzung latenter W¨arme dominiert das Energiebudget der Wolke. Das
meiste Wolkenwasser stammt aus eingemischter Umgebungsluft, daher liefert die
durchdasFeuerfreigesetztelatenteW¨armenureinenuntergeordnetenBeitragzur
Konvektionsdynamik.
AusreichendstarkeHitzeentwicklungdurchdasFeuer,beguns¨ tigendemeteorol-
ogischeBedingungenundkleinskaligeTransportprozesseanderWolkenobergrenze
werdenalsHauptvoraussetzungenfur¨ denEintragvonRauchindieuntereStratos-
ph¨are identifiziert.vivii
Contents
1 Introduction 1
1.1 Biomass burning and its atmospheric
relevance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Biomass smoke in the stratosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Pyro-convection, pyro-cumulus,
and pyro-cumulonimbus clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Modeling of pyro-convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 Observations of the Chisholm pyro-cumulonimbus 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Fire observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Meteorological situation and fire development . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Properties of the Chisholm pyroCb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Temporal development and vertical structure . . . . . . . . . 17
2.4.2 Microphysical structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.3 Large scale impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Reference simulation 25
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 The ATHAM Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.2 Model setup and initialization . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.3 Representation of the fire emissions . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Model limitations and uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Model results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.1 General aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.2 Microphysics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3 Convection dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.4 Entrainment and redistribution of air masses . . . . . . . . . 44viii CONTENTS
3.4.5 Budgets of water and energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Enhancement of troposphere-to-stratopshere transport by small-
scale mixing processes 49
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Model Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Simulated radiative and thermal structure of the cloud top . 59
4.4.2 Gravity wave formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.3 Cross-isentrope transport due to small-scale mixing . . . . . 65
4.4.4 Troposphere-to-stratosphere transport . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Summary and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 Sensitivity studies 71
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.2 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 Sensitivity studies conducted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.1 Fire activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.2 Background meteorology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.1 Definitions and analysis methods . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.2 Fire release of sensible heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4.3 Fire release of moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.4.4 Sensitivity to CCN emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4.5 Sensitivity to background meteorology . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Theroleoffire-releasedmoistureonthedynamicsofatmospheric
pyro-convection 101
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2 Theoretical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3 Effects on convection characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3.1 Plume height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3.2 Condensation level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.4 Results from numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.6 Appendix: Derivation of Equation (6.7) . . . . . . . . . . . . . . . . 115CONTENTS ix
7 Conclusion and outlook 117
7.1 Summary and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2 Future research needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
A List of abbreviations 123
List of Figures 125
List of Tables 131
References 133x CONTENTS