Universität zu Köln

Klose, Martina Ruth (2014). Convective Turbulent Dust Emission: Process, parameterization, and relevance in the Earth system. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Convective turbulence generates localized and intermittent surface shear stress and can effectively entrain dust into the atmosphere. This mechanism is referred to as "Convective Turbulent Dust Emission" (CTDE) and is considered as the most important form of direct aerodynamic dust entrainment. CTDE occurs predominantly at weak mean wind conditions, when the buoyancy production of atmospheric turbulence is most pronounced. CTDE is a stochastic process and does not need to involve the saltation of sand-sized grains. This process is so far not included in dust emission schemes and therefore the significance of CTDE for the global dust budget and its impacts on the Earth system remain largely unknown. Here we develop a new parameterization scheme of CTDE. We couple the scheme to the WRF (Weather Research and Forecasting) model in LES (Large-Eddy Simulation) and regional mode with chemistry (WRF/Chem) and investigate the process and its significance for local and regional scale dust emissions. In the parameterization scheme for regional application, the stochastic nature of the process is considered by describing the aerodynamic lifting forces and inter-particle cohesive forces as probability density functions (pdfs). The lifting force was first described as joint pdf of turbulent horizontal and vertical wind velocities. We then determined the lifting force using a new similarity theory for instantaneous momentum flux, obtained from the LES results. The inter-particle cohesive force was described as lognormal distribution with semi-empirical distribution moments. Correction methods for roughness element and moisture effects were suggested. The CTDE scheme was calibrated and validated against field observations recorded in the Horqin Sandy Land area in China and during the Japan-Australia Dust Experiment (JADE) in Australia. The roughness correction is preliminary and could not be tested due to a lack of data for evaluation. Only fractional cover was therefore accounted for in the model simulations. Coupled to the regional model WRF/Chem, the calibrated dust emission scheme was used to assess the long-term regional contribution of CTDE to the overall dust budget for Australia. We showed that a persistent background dust concentration can be generated by CTDE. By comparison with model estimates of global dust emissions, we found that during the study year, the Australian CTDE comprised about 6-17% relative to the yearly global dust emissions. It even exceeded the global model estimates for annual Australian dust emissions, arguably due to favorable conditions in the study year compared to the climatological mean, underrepresentation of regional characteristics, and corresponding underestimation of Australian dust emissions in the global models. Additionally, the disuse of a comprehensive drag partition scheme in our model potentially led to CTDE overestimation. On the local scale, CTDE was observed as being about twice as frequent as saltation bombardment and aggregates disintegration (SADE) and produced more than 80% of dust emissions compared to that of SADE. Our results suggest that CTDE may be a significant driver of soil nutrient redistribution and air quality at the local scale while contributing to the global impacts of dust on radiation interactions and biogeochemical cycles.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Konvektive Turbulenz kann kurzzeitige und räumlich begrenzte Bodenimpulsflüsse generieren und somit Staub emittieren. Dieser Mechanismus wird als konvektivturbulente Staubemission (engl. "Convective Turbulent Dust Emission", CTDE) bezeichnet und wird als wichtigste Form der direkten aerodynamischen Staubemission angesehen. CTDE tritt vornehmlich unter Schwachwindbedingungen auf, da Konvektion dann den Hauptantrieb der atmosphärischen Turbulenz darstellt. Der CTDE-Prozess ist stochastisch und muss nicht die Saltation von sandgroßen Partikeln beinhalten. Bisher wurde der genannte Prozess nicht in Staubemissionsschemata berücksichtigt. Die Signifikanz von CTDE im globalen Staubhaushalt sowie deren Auswirkungen im System Erde-Atmosphäre sind daher bislang weitgehend unbekannt. In dieser Studie wird ein Parametrisierungsschema des beschriebenen Prozesses entwickelt. Das Schema wird in das WRF ("Weather Research and Forecasting") Modell in LES ("large-eddy simulation") sowie in regionalem Modus mit gekoppelter Chemie (WRF/Chem) implementiert und zur Untersuchung des CTDE-Prozesses und dessen Signifikanz auf lokaler und regionaler Skala genutzt. Die Stochastizität der CTDE wird im regionalen Parametrisierungsschema durch Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen für die aerodynamische Hebungskraft und die Kohäsionskraft beschrieben. Die Hebungskraft wurde zunächst als multivariate Verteilung der horizontalen und vertikalen Windgeschwindigkeiten parametrisiert. Später wurde hierfür eine neue Ähnlichkeitstheorie auf Basis der LES Ergebnisse entwickelt und genutzt. Die Kohäsionskraft wurde als Lognormalverteilung mit semiempirischen Verteilungsmomenten bestimmt. Methoden zur Berücksichtigung der Effekte von Rauigkeitelementen sowie Bodenfeuchte wurden vorgeschlagen. Das CTDE-Schema wurde mit Beobachtungsdaten aus dem Horqin Sandy Land in China sowie des "Japan-Australian Dust Experiment" (JADE) in Australien kalibriert und evaluiert. Die Rauigkeitskorrektur ist vorläufig und konnte aus Mangel an Daten zum Vergleich nicht getestet werden. Für die Simulationen wurde daher nur der Vegetationsanteil berücksichtigt. Das kalibrierte Emissionsschema wurde in das Regionalmodell WRF/Chem implementiert um den langfristigen CTDE-Beitrag zum australischen Staubhaushalt zu untersuchen. Die Modellergebnisse verdeutlichen, dass eine dauerhafte Hintergrundstaubkonzentration durch CTDE generiert werden kann. Während des einjährigen Simulationszeitraums produzierte die australische CTDE Emissionen in Höhe von 6-17% der jährlichen globalen Staubemissionen basierend auf Schätzungen von Globalmodellen. Bezogen auf die geschätzte jährliche Staubemission in Australien übertrafen die CTDE Emissionen diese sogar. Als Gründe hierfür werden günstige Wetterbedingungen im Simulationszeitraum verglichen mit dem klimatologischen Mittel, Unterrepräsentation der regionalen Bedingungen in der groben Modellauflösung der Globalmodelle und eine damit einhergehende Unterschätzung der australischen Staubemissionen vermutet. Zusätzlich hat die bisherige unvollständige Berücksichtigung der Rauigkeitseffekte im CTDE-Schema vermutlich zu einer Überschätzung der CTDE geführt. Die Beobachtungen zeigten, dass CTDE etwa doppelt so häufig auftrat wie andere Emissionsmechanismen (Saltationsbeschuss und Disaggregation) und im Vergleich dazu 80% der Emissionen verursachte. Auf Basis unserer Ergebnisse ist es wahrscheinlich, dass CTDE auf lokaler Ebene einen wesentlichen Einfluss auf die Umverteilung von Bodennährstoffen sowie auf die Luftqualität hat, während CTDE auf globaler Ebene für die Wechselwirkung mit atmosphärischer Strahlung und dem biogeochemischen Zyklus besonders relevant ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Klose, Martina Ruth mklose@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-58264
Date:	2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language dust emission scheme English WRF English convective turbulent dust emission English wind erosion English mineral dust English aeolian processes English
Date of oral exam:	6 October 2014
Referee:	Name Academic Title Shao, Yaping Prof. Dr. Tegen, Ina Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5826