Atmospheric and climate effects of biomass burning using different injection heights

Inspired by the need for a representation of the biomass burning emissions injection height in the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry model (EMAC)four schemes and a vertical distribution function have been developed and implemented in this thesis. The most realistic scheme accounts for fire intensity and local weather conditions in the plume height estimation, and it reproduces more than half (52%) of the plumes observed by MISR globally and up to 75% regionally. The changes associated with the modified biomass burning (BB) injection height (e.g., aerosol lifetime, global burden and transport) and several important atmospheric impacts associated with fires (e.g., gas emissions as aerosol precursors, changes in ozone concentrations, influence on atmospheric oxidation capacity, aerosol emissions as efficient cloud condensation nuclei and influence on the atmospheric radiation transfer) have been evaluated to asses the impact of the injectionrnheight and vertical distribution on the chemical composition of the atmosphere and climate. The BB aerosol deposition efficiency has been affected by their injection at higher altitudes. The annual mean dry deposition of BB aerosol has been reduced (35%{47%). Sedimentation has also been reduced slightly, whereas annual wet deposition has been enhanced globally (6%-10%). Overall, the global mean lifetime of the BB aerosols hasrnincreased (1.5%-3%): regionally and seasonally, these changes are larger (8%-20%). The lifetime increase causes a global burden increment of the aerosol species from BB sources (6%-13% annual mean). The BB aerosol surface concentrations have been reduced (54%-73%) close to source regions, whereas downwind increases are found (33%-108%). The BB aerosol column burden show regional enhancements (15%-66%). The release of the aerosol precursors NOx at higher altitudes enhances the regional annualrnmean concentration of the associated species NO3 (13%-24%). The release of SO2 and the local variations in the oxidation capacity results in regional increments of the SO4^2- annual mean concentration (6%{9%). The influence on the oxidation capacity result in a reduction of the CO column density (1%-6%) and of the CH4 lifetime (2.5%). The interplay of all these processes results in enhancements of regional annual mean surface O3 concentrations (3%-5%). The aerosol optical density (AOD) has been enhanced (8%-23%),rnwhich results in an improvement (10%) compared to satellite observations. Enhancement in the absorption (compared to releasing the BB aerosols at the surface) is found in the troposphere. The efficiency of BB in the CCN activation is evident as a regional CCN enhancement (25%{42%) at the top of the planetary boundary layer. The effects on the radiation budget of the atmosphere result in a positive enhancement of the net "all-sky" radiative forcing (compared to the reference simulation) in the range of 0.1 to 0.25 Wm2. Most of this forcing emerges from changes of the cloud properties.Da für die Emissionen von Biomasseverbrennung (BB) die vertikale Verteilung bestimmt werden soll, in der eine Injektion von Spurenstoffen erfolgen soll, sind in dieser Arbeit sind 4 Schemata inklusive einer vertikalen Verteilungsfunktion für das atmosphärische Chemie-Klimamodell ECHAM5/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) entwickelt worden. Das realitätsn ächste Schema, das sowohl die Feuerintensität und lokale Wetterbedingungen zur Bestimmung der "Plume"-Höhe beinhaltet, reproduziert mehr als die Hälfte (52%) der von MSIR beobachteten "Plumes" global und bis zu 75% in bestimmten Regionen. Die Änderungen, die aus einer modifizierten Emissionshöhe der Biomassenverbrennung stammen (wie z.B. Aerosollebensdauer, globale Gesamtmenge und Transport), und wichtige Auswirkungen von Feuern auf die Atmosphäre (z.B. Emissionen von Gasen (die als Aerosolvorläuferspezies dienen), Änderungen in Ozonkonzentrationen, Auswirkungenrnauf die Oxidationskapazität der Atmosphäre, und direkte Aerosolemissionenrn(die als Wolkennukleationskeime agieren können und den atmosphärischen Strahlungstransport beeinflussen) sind evaluiert worden, um die Einflüsse der Emissionshöhe und der vertikalen Verteilung der Emissionen auf die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und das Klima zu untersuchen. Die Effizienz von Aerosoldeposition aus BB Quellen wird direkt durch die Injektion in größerer Höhe modifiziert. Die jährliche trockene Deposition ist gesunken (35%-47%). Ebenso hat die Sedimentation auch leicht abgenommen. Auf der anderen Seite wird dies teilweise durchrnerhöhte Feuchtdeposition (6%-10%) kompensiert. Dies hat Auswirkungen auf die global mittlere Lebensdauer von BB Aerosolspezies (1.5%-3%). Auf einer regionalen Skala sind diese Effekte deutlich großer (8%{20%). Die längere Verweilzeit in der Atmosphäre bewirkt eine Erhöhung der Gesamtaerosolmassernaus BB Quellen (6%{13% im Jahresmittel). Nahe der Erdoberrnrnache sind die Konzentration deutlich niedriger in den Quellregionen(54%{73%), jedoch lassen sich stromabwärts deutliche Erhöhungennden (33%{108%). Auch die vertikale Gesamtsäulendichte zeigt Erhohungen von 15%{66%. Die Emission von NOx, was als Aerosolvorläufersubstanzrnagieren kann, in größerer Höhe bewirkt regional Erhöhungen der mittleren Konzentration von Nitrat (NOrn3 ) von 13%{24%. Emissionenrnvon SO2 und die lokalen Veränderungen in der Oxidationskapazität der Atmosphäre resultieren in mittleren Erhöhungen der SO2rn4 Konzentrationrnvon 6%{9%. Der Einrnuss auf die Oxidationskapazität der Atmosphäre reduziert die Kohlenstoffmonoxidsäulendichten (1%{6%) und senkt regionalrndie CH4 Lebensdauer um 2.5%. Die Kombination all dieser Eekte bewirktrnauch eine Erhöhung der bodennahen O3 Konzentrationen um 3%{rn5%. Die Aerosol-Optische-Dicke" (AOD) weist eine Erhhung um 8%{23%rnauf, was einer Verbesserung der simulierten Werte gegenüber Satellitenbeobachtungenrnum 10% entspricht. Auch wird eine Erhöhung der Absorptionrnvon Strahlung in der Troposphäre im Vergleich zu einer Emission von BB Aerosolen am Boden gefunden. Für die CCN-Effzienz, alsornder Effzienz der Aktivierung von Aerosolteilchen in Wolkentropfen, wird eine deutliche Erhöhung der CCN Konzentrationen (25%{42%) in Höhe derrnGrenzschichtoberkante sichtbar. Die Auswirkungen auf die Strahlungsbilanzrnzeigen, dass sich ein Netto-Forcing von 0.1 bis 0.25 Wm2 für unbewölkte und bewölkte Bedingungen ergibt, wobei der Großteil dieses Effekterndurch Änderungen der Wolkeneigenschaften bewirkt wird