Extreme precipitation events in the Mediterranean region : An inquiry into the role of aerosols in the microphysical processes governing their genesis and development

Abstract

Eventos de precipitación extrema en la región mediterránea: un estudio sobre el papel de los aerosoles en los procesos de microfísica que gobiernan su génesis y desarrollo. Los modelos meteorológicos han demostrado tener capacidad para reproducir con una precisión razonable procesos atmosféricos de naturaleza compleja. En las últimas décadas, el avance en conocimiento sobre las interacciones aerosol- nube y la incorporación de dichas interacciones a la física de los modelos han supuesto una revolución en el campo de la precipitación y su formación. Sin embargo, múltiples aspectos relacionados con la investigación de los procesos de microfísica que actúan en las nubes son actualmente objeto de investigación. En concreto, la habilidad de los modelos para reproducir la distribución de aerosoles, la cual tiene una influencia notable en las interacciones aerosol- nube, ha sido una limitación recientemente superada mediante la introducción de esquemas de aerosoles interactivos, en los que su emisión y transporte se calculan a partir de los campos meteorológicos. Este nuevo paradigma, en continuo desarrollo, abre la posibilidad de una mejora en la reproducción de eventos meteorológicos altamente influenciados por las interacciones aerosol- nube, como es el caso de los eventos de precipitación extrema. En este sentido, el objetivo principal de esta tesis doctoral es la evaluación de la habilidad de los modelos regionales para reproducir eventos meteorológicos de precipitación extrema sobre la cuenca mediterránea, así como el esclarecimiento del papel de los aerosoles en la génesis y desarrollo de dichos eventos. A estos efectos, se estudian a lo largo de este documento los procesos de microfísica que rigen la formación de precipitación en diferentes sistemas atmosféricos mediante una serie de simulaciones con modelos de alta resolución. Como resultado de lo anterior, las principales conclusiones que se desprenden de los estudios desarrollados sugieren que la concentración de aerosoles y su tamaño regulan la formación de precipitación, bien sea en forma de lluvia o nieve provinientes de sistemas de fase cálida o mixta; por tanto, la consideración de un cálculo interactivo de los aerosoles resulta primordial para la correcta reproducción de la población de aerosoles para cada evento particular, especialmente cuando se pretende reproducir eventos de precipitación extrema.

Extreme precipitation events in the Mediterranean region: An inquiry into the role of aerosols in the microphysical processes governing their genesis and development. Meteorological models have shown potential to reproduce with remarkable precision atmospheric processes that are complex in nature and difficult to address in general. In the last decades, the improvement in the understand- ing of aerosol-cloud interactions and their incorporation in the models’ core have sparked a revolution in the field of precipitation formation. Nevertheless, many aspects of microphysics research still remain unsolved and are object of ongoing investigation. Specifically, the ability of the models to reproduce the aerosols population, which largely influence aerosol-cloud interactions, has been a limitation recently addressed and solved by means of interactive aerosols approaches, in which aerosol emission and transport are calculated as a function of the meteorological fields. This new paradigm, under constant development, opens the door to the possibility of improving the reproduction of meteorologi- cal events which are highly influenced by aerosol-cloud interactions, as it is the case of extreme precipitation events. In this regard, the overarching aim of this doctoral thesis is to assess the ability of regional models to reproduce events of this nature evolving in the Mediterranean basin, as well as to disentangle the role of aerosols in the genesis and development of these events. To this end, the microphysical processes that govern a range of precipitation systems are inquired through a series of high resolution model simulations. As a result of the above, the key findings emanating from the studies carried out suggest that aerosols concentration and size regulate precipitation formation, whether as rain or snow coming either from a warm of mixed-phase system, thus being of paramount importance the consideration of interactive aerosols in order to properly simulate, for each meteorological event, an appropriate aerosol concentration field. Accordingly, a precise reproduction of the precipitation generated by any situation requires an accurate representation of the aerosol population, especially when extreme precipitation events are targeted.