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Deep convective transport in a two-dimensional model: Effects on lower stratospheric aerosols and ozone

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Two-dimensional (2D) photochemical models are a widely used tool to study tracer species distribution in the middle-atmosphere. On the other hand, many features of the lower stratosphere are driven by troposphere-stratosphere exchanges at the tropical tropopause. Here 2D models suffer for the lack of appropriate mixing mechanisms in the troposphere, in particular cumulonimbus convection. It is developed here a first-order parameterization of this tropospheric mixing process, with the purpose of making these kind of models more meaningful for studies focusing on lower stratospheric chemistry. A validation is made with Rn-222 profiles from observations and three-dimensional calculations. Another validation is made using sulphur dioxide and sulphate. It is shown that inclusion of deep convection helps reconcile the calculated stratospheric aerosol load with SAGE-II observations: a factor of two increase of stratospheric sulphate mass is predicted with respect to a 'standard' 2D simulation without convection. The effects of the 'convectively' enhanced stratospheric aerosol surface area density on heterogeneous chemistry and ozone are also discussed: absence of tropospheric convection would produce a 3% overestimate of total ozone with respect to the realistic case including both convection and sulphate aerosol feedback on NOx and chlorine/bromine chemistry. The deep convection scheme adopted here is validated only for tracers of continental origin, but it could be easily extended also to oceanic source tracers.

Zweidimensionale (2D) photochemische Modelle finden breite Verwendung, um die Spurenstoffverteilung in der mittleren Atmosphäre zu untersuchen. Andererseits werden viele Phänomene der unteren Stratosphäre durch Troposphäre-Stratosphäre-Austauschprozesse an der tropischen Tropopause angetrieben. Jedoch werden solche Prozesse, die zur troposphärischen Durchmischung führen, speziell Cumulonimbus-Konvektion, von 2D Modellen nicht angemessen berücksichtigt. Wir stellen eine einfache Parametrisierung dieser troposphärischen Mischungsprozesse vor, die entwickelt wurde, um eine bessere Eignung solcher Modelle für Untersuchungen der Chemie der unteren Stratosphäre zu erlangen. Die Modellergebnisse werden mit Rn-222 Profilen aus Messungen und dreidimensionalen Rechnungen validiert. Eine weitere Validierung wurde mit Schwefeldioxid und Sulfat durchgeführt. Es wird gezeigt, dass durch die Berücksichtigung der hochreichenden Konvektion eine bessere Übereinstimmung mit SAGE-II Beobachtungen erreicht wird: Die stratosphärische Sulphatmasse nimmt um den Faktor zwei zu im Vergleich zu einer Standard 2D Simulation ohne Konvektion. Die Auswirkung dieser durch Konvektion erhöhten stratosphärischen Sulphataerosoloberfläche auf die heterogene Chemie und auf Ozon wird ebenfalls diskutiert: Gesamtozon wird bei fehlender troposphärischer Konvektion im Vergleich zur realistischen Simulation um 3% überschätzt, die sowohl die Konvektion als auch die Wirkung des Sulphataerosols auf die NOx und Chlor-/Bromchemie beinhaltet.
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Document Type: Research Article

Publication date: 2002-05-01

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