Investigation of impacts of aerosols on Eastern Mediterranean region climate

Abstract

Doğu Akdeniz Bölgesi artan nüfusu ve düşük çevresel performans göstergeleriyle çevre ve atmosfer bilimlerinde gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Hava kirliliği, bölgedeki çevre kalitesini azaltan problemlerden biridir. Sahra tozunun uzun mesafeli taşınımı hava kirliliğine etki eden en önemli etkenlerden biridir. Bu tezin ilk bölümünde amaç, öncelikle mineral tozun partikül madde konsantrasyonları üzerindeki etkisini araştırmak, toz taşınımını modelleyerek, sonuçları uydu görüntüleri ve yer gözlemleri ile karşılaştırmak, aerosol optik değerleri belirlemek, tozun radyatif etkisini bir toz episoduyla karşılaştırmaktır. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı'ndan İstanbul'daki 10 farklı istasyon için, 2004-2010 yılları aralığı partikül madde verisi temin edilmiştir. Saatlik olarak alınan veri, günlük ortalamaya ve sonra da aylık ortalamaya çevrilmiştir. Günlük verilerin öncelikle Avrupa Komisyonu Standardı olan 50 µg/m3'yi aşıp aşmadığı kontrol edilmiştir. İstanbul'da bahar ayında ortalama 49 gün, kış döneminde ortalama 45 gün, sonbaharda 41 gün sınırı aşmıştır. DREAM Model çıktılarına göre (Nickovic et al. 2001; Perez et al. 2006) yüksek PM10 konsantrasyonları mineral toz taşınımıyla önemli şekilde koraledir (23% kış ve 58% ilkbahar).Çalışmanın ilk kısmında RegCM4.1 modeli Sahra tozunun etkilerini ayrıntılı şekilde incelemek amacıyla kullanılmıştır. 21-24 Mart 2008 tarihleri arasındaki periyotta, günlük ortalama partikül madde konsantrasyonları Marmara Bölgesi'nde 180 µg/m3'ye ulaşmaktadır. Model sonuçları, PM10 konsantrasyonları ve uydu görüntüleriyle iyi şekilde korale çıkmıştır. RegCM4.1 Mart 2008 episodunu iyi şekilde modellemiştir ve toz taşınımını uydu görüntülerine benzer şekilde gerçekleştirdiği gözlenmiştir. Ege ve Marmara Bölgeleri'ni yoğun şekilde etkileyen 23 Mart 2008 gününde, Ege'de günlük ortalama 102 µg/m3 ve Marmara'da 117.3 µg/m3 PM10 konsantrasyonu ölçülmüştür. Ölçüm değerleri Çevre ve Şehircilik Bakanlığı'ndan elde edilmiştir.Model performansı AOD model çıktılarına ve AERONET gözlemlerine göre değerlendirilmiştir. Kontrol için Erdemli, Sivastopol ve Eilat istasyonları seçilmiştir. Gözlem ve model sonuçları korelasyon katsayısı 0.6'dır. Aynı gün model çıktılarına göre Ege Bölgesi'nde 1.11 olarak hesaplanan AOD, Marmara Bölgesi için 0.87 olarak hesaplanmıştır. Ortalama kuru çökelme sırasıyla 201.13 mg/m2 ve 96.67 mg/m2 olarak hesaplanırken, kolon derinliği 1009.9 mg/m2 ve 745.37 mg/m2 olarak hesaplanmıştır.Mineral toz taşınımı, tozun saçıcı özelliği nedeniyle ayrıca radyatif güdümlemeyi de etkilemektedir. Kısa dalga boylu radyasyon yüzeyde ve atmosferin tepesinde, Ege Bölgesi'nde 71.4 W/m2 ve 33 W/m2 azalırken, Marmara Bölgesi'nde 61.9 W/m2 ve 28.8 W/m2 azalmaktadır. Uzun dalga boylu radyasyon yüzeyde ve atmosfer tepesinde Ege Bölgesi'nde 10.7 W/m2 ve 4.4 W/m2 artarken, Marmara Bölgesi'nde and 6.9 W/m2 ve 4 W/m2 artmaktadır. Bu çalışmada Türkiye'nin batısında etkili olmuş bir episot için atmosferik özellikler ve radyatif güdümleme incelenmiştir. Bu çalışmanın ikinci aşaması, mineral tozların iklim üzerine etkisinin değerlendirilmesidir. Sahra'dan gelen mineral tozların iklim üzerine önemli etkisi bulunmaktadır. Mineral tozlar özellikle saçıcı özelliğe sahip oldukları için gelen radyasyonun bir kısmının geri yansıtılmasına ve dolayısıyla sıcaklıkların azalmasına sebep olmaktadır. Öte yandan Sahra'dan tozun taşınması meteorolojik koşullara bağlıdır. Dolayısıyla iklim değişikliği de mineral toz kaynaklarını ve taşınım yollarını etkileyebilmektedir. Bu nedenle geri besleme mekanizması çift yönlü değerlendirilmelidir. Çalışmanın ikinci aşamasının amacı, mineral tozların Akdeniz iklimi üzerine etkisinin değerlendirilmesidir. Bu etkiyi değerlendirmek için, bölgesel iklim modeli RegCM4.1 ile 10 senelik 3 ayrı dönemin (1991-2000, 2041-2050, ve 2091-2100) simülasyonu yapılmıştır. Her bir dönem ayrı ayrı toz içeren ve içermeyen durumlar için çalıştırılmıştır. Model domaini bütün Akdeniz Bölgesi'ni içermektedir. Model sınırları Sahra Çölü 25° kuzey enleminden, Kuzey Avrupa'da 50° kuzey enlemine kadar, batıda 15°, doğuda 45° boylamına kadardır. Yatayda çözünürlük 27 km x 27 km, dikeyde 18 sigma seviyesidir. Atmosfer tepesi 50 hPa'dır. Model başlangıç ve sınır koşulları ECHAM5 simülasyonları A1B senaryosu simülasyonlarından alınmıştır. A1B senaryosu bütün enerji kaynaklarının dengeli kullanıldığı bir senaryodur. Toz bütçesinin genişlemesine bir analizi için, yüzey emisyonları, kolon yükü, çökelme, aerosol optik derinlik üzerine her dönem için detaylı bir araştırma yapılmıştır. Gelecekteki iklim için ortaya konulan sonuçları referans periyotla kıyaslayınca, gelecekteki dönemde toz emisyonlarının daha güneye doğru kaydığı gözlenmiştir. Domainin güney bölümünde emisyonların 2041-2050 döneminde %15, 2091-2100 döneminde %20 arttığı görülmektedir. Bu durum yüzey rüzgarlarının genel paterninin değişmesinden kaynaklanmaktadır. Rüzgarlar aşağı enlemlerde güçlenir. Bu da özellikle Azor antisiklonlarının kuzeye doğru kayarak güçlenmesinden kaynaklanır. Bu durum toz yükünün domainin batısında %8 artmasına, Doğu Akdeniz'de %10 azalmasına sebep olmaktadır. Kolon yükü ayrıca aerosol optik derinliği ve toz radyatif güdümlemeyi de etkilemektedir. 2041-2050 döneminde Batı Akdeniz'de aerosol optik derinlik % 15 artarken, Doğu Akdeniz'de %10 azalmaktadır. 2091-2100 döneminde de benzer değişiklik görülmektedir. Tozun net radyasyon bütçesi üzerinde etkisi her 10 yıllık periyotta tozun dahil olduğu ve olmadığı durumlar için değerlendirilmiştir. Yüzeyde kısa dalga boylu net radyasyon, tozun kaynağı olan Sahra bölgesinde 20 W/m2 kadar azalırken, Güney Avrupa ve Akdeniz Bölgesi'nde 8 W/m2 kadar artmıştır. Kısa dalga boylu net radyasyon atmosferin tepesinde 3 W/m2 kadar azalmıştır. Benzer şekilde 10 yıllık dönemler için sıcaklık ve yağış değişiklikleri de incelenmiştir. Tozun her dönemde Avrupa üzerinde 0.2 Cº sıcaklık azalmasına, Afrika üzerinde 0.5 Cº sıcaklık azalmasına sebep olacağı görülmüştür. Yağışta 3 dönem için de anlamlı bir değişiklik olmamıştır.

Eastern Mediterranean is a region which has increasing population growth with low Environmental Performance Indicator. Air pollution is one of the problems, which decreases the environmental quality. It is known that long-range transport of Saharan dust is one of the main contributors to the air pollution problem. The purpose of the first section of this study is to investigate the relationship between high particulate matter concentrations and mineral dust transport using regional climate modelling, satellite data as well as in-situ observations and to determine the aerosol optical properties and radiative effects of aerosols for a dust transport episode. PM10 values for the selected regions for the episode in Turkey and at 10 different stations in Istanbul for the period 2004-2010 were provided by the Turkish Ministry of Environment. Daily mean PM10 concentrations exceeding the European standard of 50 µg/m3 were found to be on average, 49 days for the Spring period, 45 days for the Winter period, and 41 days for the Fall period for Istanbul. DREAM model output suggests that high PM10 concentrations correlate highly with mineral dust transport episodes from Saharan desert (i.e., 23% for winter and 58% for spring). During the period between March 21st and 24th, 2008, observed daily mean of PM10 concentrations reach up to 180 µg/m3 in Marmara Region.Model results highly correlated with PM10 concentrations and satellite image. It is found that RegCM4.1 is able to model March 2008 episode and it can capture the dust pattern correctly in comparison with the satellite image. On March 23th 2008, when the dust episode affecting Aegean and Marmara Regions intensively, daily mean PM10 was 102.6 µg/m3 in Aegean Region and 117.3 µg/m3 in Marmara Region according to the data provided by Turkish Ministry of Environment and Urbanization.Model performance was checked through the AOD model outputs and AERONET observations. Three stations were selected which are affected stations such as Erdemli and Sevastopol and control station Eilat. Correlation coefficient was calculated around 0.6. On March 23th, AOD is 1.11 in Aegean Region and 0.87 in Marmara Region according to the RegCM4.1 model results. Mean dry deposition was 201.13 mg/m2 and 96.67 mg/m2 and column burden was 1009.9 mg/m2 and 745.37 mg/m2 respectively.Dust transport causes changes in radiative forcing because of the highly scattering feature of mineral dust. Short wave radiation at surface and at ToA decreased around 71.4 W/m2 and 33 W/m2 in Aegean Region and 61.9 W/m2 and 28.8 W/m2 in Marmara Region respectively. Long wave radiation at surface and ToA increased around 10.7 W/m2 and 4.4 W/m2 in Aegean Region and 6.9 W/m2 and 4 W/m2 in Marmara Region respectively. The first part of this study shows the atmospheric properties and radiative forcing during an important dust episode affecting west of Turkey. As a second aim of this study, climatic effect of mineral dust was evaluated. Dust from Saharan Desert is an important component of the climate of the Mediterranean basin. The emissions and transport of dust from Sahara to Europe depends on meteorological conditions, therefore climate change can affect the sources of mineral dust and its transport pathways. On the other hand dust has also an effect on climate by modifying the radiative budget in the atmosphere. The objective of this study is to identify the effect of mineral dust on the climate of Mediterranean. In order to quantify this effect, we simulated with the regional climate model RegCM-4.1 for three 10-years time periods (1991-2000, 2041-2050, and 2091-2100). The model domain covers the entire Mediterranean Sea, including the Saharan Desert between 25°N and Northern Europe at 50°N. The horizontal resolution is 27 km x 27 km with 18 vertical layers from surface to 50 hPa. The ECHAM5 simulations of scenario A1B were used to provide boundary and initial conditions to RegCM simulations. To show the effect of dust on climate, we performed 2 simulations, for each 10-year period with dust and without dust.A comprehensive analysis of the dust budget, including surface emissions, burden, deposition for present and future climate are presented in this study. Compared to present climate, a shift of mineral dust emissions towards southern latitudes of Saharan Desert was observed for the future. In the southern part of the domain dust emissions increased by 15% and 20% in 2040s and 2090s, respectively. This is due to a change in the general pattern of surface winds, which are strengthening at lower latitudes, probably due to a strengthening and relocation of the Azores anticyclone towards north in future climate conditions. This generates a change in dust burden over the Mediterranean and decreases particularly in the Eastern Mediterranean (10%) and increases in the West Mediterranean (8%). The changes in burden of dust determine also a change in the distribution of the aerosol optical depth (AOD) and the dust radiative forcing. In the 2040s AOD increased by 15% in the Western Mediterranean and decreased by 10% in the Eastern Mediterranean. Similar changes were also simulated for the end of the 21st century.The impact of dust on the net radiative budget was quantified for the single 10-years periods by comparing the simulations with dust and without dust. Shortwave net radiation at surface was decreasing up to 20 W/m2 over the source regions and 8 W/m2 over Mediterranean Sea and South Europe. Shortwave net radiation at the top of atmosphere was decreasing 3 W/m2 over the source region. Similarly we present also the changes on surface temperature and precipitation for the single 10-years periods. Dust caused an average temperature decrease of 0.2 Cº over Europe and 0.5 Cº over the African continent for the period 1991-2000. A similar impact was found for the 2041-2050 period. Smaller temperature changes simulated for the end of the 21st century. No significant changes were observed in precipitation for the 3 periods.