A study of the direct and indirect effects of Saharan mineral dust in the southern Iberian Peninsula using WRF-Chem

• Autores: Miguel Pino Carmona
• Directores de la Tesis: Lucas Alados Arboledas (codir. tes.), José Antonio Ruiz Arias (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• ISBN: 9791370153755
• Número de páginas: 177
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    La predicción meteorológica mediante simulaciones numéricas ha experimentado avances notables en las últimas décadas, gracias a la mejora de los modelos físicos y al incremento de la capacidad computacional proporcionada por los superordenadores modernos. Sin embargo, aún existen fenómenos cuyos cálculos presentan importantes incertidumbres, especialmente en los procesos asociados a los aerosoles atmosféricos, los cuales desempeñan un papel crucial en el cambio climático, la salud pública y el transporte aéreo, entre otros ámbitos. Una representación precisa de estos procesos es esencial para comprender la influencia de las parametrizaciones de aerosoles en la evolución de las magnitudes meteorológicas. El polvo mineral constituye el aerosol predominante en la atmósfera, caracterizado por una amplia gama de tamaños y composiciones químicas. Esto le confiere un abanico de efectos complejos en el equilibrio radiativo, así como en la formación y evolución de nubes y precipitaciones. En la Península Ibérica, dichos efectos se ven potenciados por la proximidad al desierto del Sahara, lo que hace indispensable el correcto entendimiento y modelización del polvo mineral. En este contexto, la presente tesis se centra en el análisis y mejora de las parametrizaciones actuales en simulaciones numéricas de polvo mineral, utilizando fundamentalmente el modelo Weather Research and Forecasting (WRF) acoplado con el módulo de química (WRF-Chem). Este enfoque permite evaluar detalladamente cómo las variaciones en la distribución de tamaños y en las propiedades físicas y químicas de las partículas afectan tanto a la interacción con la radiación como a la dinámica de la formación nubosa. El objetivo general del estudio es evaluar de manera rigurosa los distintos esquemas de parametrización de aerosoles —generalmente clasificados en bulk, seccionales y modales— aplicados al polvo mineral. Para ello, se diseñaron múltiples experimentos numéricos orientados, en primer lugar, a evaluar las características microfísicas y ópticas del polvo, y en segundo lugar, a aislar y cuantificar sus efectos directos (relacionados con la absorción y dispersión de la radiación solar y terrestre) e indirectos (que inciden en la microfísica de las nubes y, consecuentemente, en los patrones de precipitación). La integración de resultados teóricos, observaciones de campo y simulaciones numéricas permite identificar las principales fuentes de incertidumbre en la modelización de estos procesos. Los análisis evidencian que la correcta modelización de la distribución de tamaños del polvo mineral es fundamental. Habitualmente, los modelos seccionales y modales aplican distribuciones estándar para todos los aerosoles, lo que puede derivar en concentraciones y tamaños de polvo menos realistas en las simulaciones. Por ello, se propone un nuevo esquema de parametrización basado en el Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry (MOSAIC), denominado MOSv2, en el cual el esquema de emisión se adapta específicamente al polvo mineral. Este nuevo esquema ofrece resultados más realistas en cuanto a la carga total de polvo y su distribución durante los eventos de intrusión en la Península Ibérica, en comparación con los tres esquemas principales utilizados en WRF-Chem: Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport (GOCART), MOSAIC original y el Modal Aerosol Dynamics Model for Europe (MADE). Asimismo, la investigación profundiza en el rol del polvo mineral en la formación de nubes y precipitaciones. Se demuestra que su actividad como núcleo de condensación o congelación —y, sobre todo, la simulación de la precipitación acumulada— se aproxima más a la realidad mediante el uso de MOSv2 que con el resto de modelos. Esto indica que la correcta parametrización del polvo mineral es crucial en procesos de coalescencia y coagulación, entre otros, que inciden de forma esencial en la interacción entre aerosoles, nubes y precipitación. Además, se comprueba que MOSv2 reproduce de manera realista el efecto directo del polvo, proponiendo distintas configuraciones de WRF-Chem para simular eventos de intrusión en función de la intensidad de la intrusión y la presencia de nubosidad o precipitaciones. En síntesis, esta tesis demuestra que la aplicación de WRF-Chem para simular las interacciones entre el polvo mineral, la radiación y las nubes no solo profundiza en el conocimiento sobre estos complejos procesos, sino que también posibilita el desarrollo de esquemas de parametrización más precisos y robustos. La optimización de estos esquemas —especialmente en la calibración de emisiones y en la representación detallada de la distribución en tamaños— resulta fundamental para mejorar la fiabilidad de los modelos climáticos y meteorológicos en regiones afectadas por intrusiones de polvo sahariano. Los hallazgos ofrecen nuevas perspectivas para incorporar una mayor diversidad de especies de aerosoles en estudios futuros, con miras a disminuir aún más las incertidumbres en la modelización del clima y a perfeccionar la predicción atmosférica a escala regional y global.

  • English

    Numerical weather prediction has made notable advancements in recent decades, thanks to the enhancement of physical models and the increase in computational power provided by modern supercomputers. However, some phenomena still present significant uncertainties in their calculations, especially those processes associated with atmospheric aerosols, which play a crucial role in climate change, public health, and air transportation, among other areas. An accurate representation of these processes is essential to understand how aerosol parameterizations influence the evolution of meteorological quantities. Mineral dust is the predominant aerosol in the atmosphere and is characterized by a wide range of particle sizes and chemical compositions. This diversity confers upon it a spectrum of complex effects on radiative balance as well as on the formation and evolution of clouds and precipitation. In the Iberian Peninsula, these effects are amplified by its proximity to the Sahara Desert, making the proper understanding and modeling of mineral dust indispensable. In this context, the present thesis focuses on analyzing and improving the current parameterizations in numerical simulations of mineral dust, primarily using the Weather Research and Forecasting model (WRF) coupled with chemistry (WRF-Chem). This approach allows for a detailed evaluation of how variations in the size distribution and in the physical and chemical properties of the particles affect both the interaction with radiation and the dynamics of cloud formation. The overall objective of the study is to rigorously evaluate the different aerosol parameterization schemes—generally classified as bulk, sectional, and modal—applied to mineral dust. To this end, multiple numerical experiments were designed, aimed first at assessing the microphysical and optical characteristics of the dust and, secondly, at isolating and quantifying its direct effects (related to the absorption and scattering of both solar and terrestrial radiation) as well as its indirect effects (which impact cloud microphysics and, consequently, precipitation patterns). The integration of theoretical results, field observations, and numerical simulations allows the identification of the main sources of uncertainty in the modeling of these processes. The analyses indicate that an accurate modeling of the size distribution of mineral dust is fundamental. Typically, sectional and modal models apply standard distributions for all atmospheric aerosols, which may result in less realistic concentrations and sizes of dust in the simulations. Therefore, a new parameterization scheme based on the Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry (MOSAIC), referred to as MOSv2, is proposed, in which the dust emission scheme is specifically adapted to mineral dust. This new scheme produces more realistic results regarding the total dust load and its distribution during dust intrusion events in the Iberian Peninsula, compared to the three main aerosol schemes used in WRF-Chem: Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport (GOCART), the original MOSAIC, and the Modal Aerosol Dynamics Model for Europe (MADE). Furthermore, the research delves into the role of mineral dust in cloud formation and precipitation. It is demonstrated that its activity as condensation or ice nuclei—and, above all, the simulation of accumulated precipitation—is more realistic when using MOSv2. This finding indicates that properly parameterizing mineral dust is crucial for processes such as coalescence and coagulation, among others, which are essential in the interactions between aerosols, clouds, and precipitation. In addition, it is shown that MOSv2 also reproduces the direct effect of dust realistically, and different configurations of WRF-Chem are proposed to simulate dust intrusion events depending on the intensity of the intrusion and the presence of cloudiness or precipitation. In summary, this thesis demonstrates that applying WRF-Chem to simulate the interactions among mineral dust, radiation, and clouds not only deepens our understanding of these complex processes but also provides the opportunity to develop more precise and robust parameterization schemes. The optimization of these schemes —especially regarding the calibration of emissions and the detailed representation of size distribution— is fundamental to improving the reliability of climate and meteorological models in regions affected by Saharan dust intrusions. The findings offer new perspectives for incorporating a broader diversity of aerosol species in future studies, with a view to further reducing uncertainties in climate modeling and refining regional and global atmospheric prediction.