Original paper
A microphysical model for simulation of stratospheric aerosol in a climate model
Timmreck, C.; Graf, H.F.
Meteorologische Zeitschrift Vol. 9 No. 5 (2000), p. 263 - 282
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published: Nov 23, 2000
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Abstract
As one part of a chemical-microphysical model, a stratospheric aerosol model has been developed for the implementation in the Hamburg climate model ECHAM. This model treats the formation, the development and the transport of stratospheric sulfuric acid aerosol. The aerosol size distribution and the chemical composition of the droplets are calculated dependent on the atmospheric conditions (temperature, air pressure) and the partial pressure of H2SO4 and H2O. Binary homogeneous nucleation of H2SO4/H2O condensation and evaporation of H2SO4 and H2O, Brownian coagulation and gravitational sedimentation are included. Sensitivity studies with the microphysical model were performed in order to study the influence of the nucleation and condensation parameterization on the aerosol size distribution. The impact of the initial conditions (temperature, water vapor, SO2, OH) on the aerosol size distribution is also investigated. Box simulations of the stratospheric background aerosol are in good agreement with in situ measurements above 73 hPa in middle and high latitudes. The model is able to reproduce important features of the stratospheric aerosol, like the observed strong increase of the aerosol size ratio above 50 hPa and the decrease of the aerosol mixing ratio. Due to the neglect of advection and diffusion processes the microphyiscal model alone is not able to reproduce observations from regions with strong vertical exchange processes. The simulated temporal development of the aerosol spectrum in a volcanically perturbed atmosphere is close to observations. After four to five years the background level is reached again.
Kurzfassung
Als Teil eines chemisch-mikrophysikalischen Modells ist ein stratosphärisches Aerosolmodell entwickelt und in das Hamburger Klimamodell ECHAM eingebaut worden. Dieses Modell behandelt die Bildung, die Entwicklung und den Transport von stratosphärischem Schwefelsäureaerosol. Die Aerosolgrößenverteilung und die chemische Zusammensetzung der Tropfen werden in Abhängigkeit von den atmosphärischen Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftdruck) und den Partialdrücken von H2SO4 und H2O berechnet. Als mikrophysikalische Prozesse werden die binäre homogene Nukleation von H2SO4/H2O, Kondensation und Verdampfung von H2SO4 und H2O, Brownsche Koagulation und Sedimentation berücksichtigt. Es sind mit dem mikrophysikalischen Modell Sensitivitätsstudien durchgeführt werden, um den Einfluß von Nukleations- und Kondensationsparameterisierungen und von Anfangsbedingungen (Temperatur, Wasserdampf, SO2, OH) auf die Aerosolgrößenverteilung zu untersuchen. Oberhalb von 73 hPa sind die Boxsimulationen in guter Übereinstimmung mit Beobachtungen des stratosphärischen Hintergrundaerosols aus den mittleren und hohen Breiten. Das Modell ist ebenfalls in der Lage, wesentliche Eigenschaften des stratosphärischen Aerosols, wie den starken Anstieg des Aerosolgrößenverhältnisses und die Abnahme des Aerosolmischungsverhältnisses oberhalb von 50 hPa wiederzugeben. Auf Grund der Tatsache, daß Advektions- und Diffusionsprozessse in der Boxversion vernachlässigt werden, ist das Modell jedoch nicht in der Lage Beobachtungen aus Gebieten mit starken vertikalen Austauschprozessen wiederzuspiegeln. Die simulierte zeitliche Entwicklung des Aerosolspektrums in einer vulkanisch gestörten Atmosphäre entspricht den Beobachtungen. Nach vier bis fünf Jahren ist der Hintergrundswert wieder erreicht.
Keywords
stratospheric sulfuric acid aerosol • aerosol size distribution