Simula'ons  of  PMCs  during  the  AIM  'me  period  using  WACCM/CARMA  

C.  Bardeen,  R.  Garcia,  D.  Marsh  NCAR  

C.  Randall  University  of  Colorado  

M.  Hervig  GATS,  Inc.  

CAWSES-­‐II  May  4,  2012  

Boulder,  Colorado  

Models  •  Whole  Atmosphere  Community  Climate  Model  (WACCM)  

–  Garcia et al. [2007], Richter et al. [2010],Garcia et al. 2011 –  Chemistry  Climate  Model  

•  Community  Aerosol  and  Radia'on  Model  for  Atmospheres  (CARMA)  –  Turco  et  al.  [1979],  Toon  et  al.  [1988],  Jacobson  et  al.  [1994],  …  –  Sec'onal  Microphysical  Model  

•  WACCM/CARMA  3.1.9  –  4˚x5˚,  125  Levels  –  Free  Running  

•  SD-­‐WACCM/CARMA  4  –  1.9˚x2.5˚,  88  Levels  –  Nudged  (1%)  below  60  km  to  GEOS-­‐5  Analysis  

2  

WACCM/CARMA  

PMC Model

Microphysical  Model  

4  

Meteor  Dust/Smoke  

5  Bardeen et al. [2008] Hervig et al. [2009]

PMCs,  WACCM  3.1.9  SOFIE  Summary,  NH  2007  

6  

SOFIE v1.01 WACCM/CARMA

Events 1432 1432

Clouds 1130 78.9% 959 66.9%

Zmax < 79 km 88 6.2% 0 0.00%

Units SOFIE WACCM Difference Height km 83.53 83.26 -0.27 km Base km 80.16 80.78 0.62 km Top km 87.01 87.69 0.68 km Thickness km 6.85 6.92 0.96% Column IWC ug m-2 36.65 30.32 -17.26% B(3.064) km-1 4.36E-05 4.54E-05 4.18% Re nm 35.68 42.43 18.91% Mass ng m-3 13.45 13.68 1.69% Number cm-3 406.68 75.95 -81.33% Water Vapor ppmv 4.35 4.90 12.53%

Summary

Seasonal Mean

Bardeen et al. [2010]

SOFIE:  Temperature,  Water,  Ex'nc'on  

7  

SOFIE:  Cloud  Proper'es  

8  

CIPS  Albedo    

9  

1x10

-6 s

r-1 T

hres

hold

7x

10-6

sr-1

Thr

esho

ld

Ice  Mass  

10  

CIPS,  2007  NH  WACCM/CARMA  

Adapted from Stevens et al. [2007]

Too  Few  High  Number  Events  

11  

Temperature  Variability  

12  Rapp et al. [2002]

Model  Improvements  

•  CARMA  3.0  –  Beeer  Numerics  for  Nuclea'on/Growth  –  (Op'onal)  Integra'on  with  Radia've  Transfer  (RRTMG)  

– Par'cle  Hea'ng  (Per  LW/SW  Band)  –  Ice  in  Radia've  Transfer  

–  Ice/Dust  Coagula'on  •  WACCM  4  

–  1.9˚x2.5˚  Horizontal  Resolu'on  –  Specified  Dynamics  –  Physically  based  Gravity  Wave  Sources  

13  

SOFIE:  Temperature,  Water,  Ex'nc'on  

14  

SOFIE:  Cloud  Proper'es  

15  

SD-­‐WACCM4/CARMA,  Ice  Mass  Par'ally  tuned  

16  

CIPS  SD-­‐WACCM/CARMA  

Days  Since  01  Jan  2007  

SD-­‐WACCM4/CARMA  3.1.9  GWs,  Needs  Further  Tuning  

17  

CIPS  SD-­‐WACCM/CARMA  

Days  Since  01  Jan  2007  

Gravity  Wave  Formula'on  

•  WACCM  3.1.9  –  Orographic  –  Background  

•  Everywhere,  All  the  'me  •  Prescribed  source  strength  (Day,  La'tude)  •  Efficiency/Intermieency  Factor  

•  WACCM  4  –  Orographic  –  Convec'on  –  Frontogensis  

•  Only  when  threshold  exceeded  •  Constant  source  strength  

18  

Temperature,  70N  

19  

Benefits  of  a  Microphysical  Model  

•  Physically  Based  •  Sensi've  to  poten'al  trends  in  

–  Ice  Nuclei  (Meteor  Smoke?)  – Water  –  Temperature  –  Temperature  Variability  –  Transport  

•  Constraints  –  Ice  Mass  (Horizontal  &  Ver'cal)  -­‐>  Temperature  -­‐>  Gravity  Waves,  Teleconnec'ons  

–  Dust  Mass  (Ver'cal)  -­‐>  Meteoric  Influx,  Transport  –  Size  Distribu'on  links  model  to  measurements  

•  Verify  against  AIM  'me  period  using  SD-­‐WACCM  20  

Limita'ons  of  a  Microphysical  Model  

•  How  well  do  we  understand  the  processes?  –  Meteor  Influx  –  Ice  Nuclea'on  –  Coagula'on  –  Gravity  Waves  –  Temperature  –  Temperature  Variability  

•  Cost  to  run  =  ~3  x  SD-­‐WACCM  •  Specified  Dynamics  

–  Limited  Al'tude  Range  (e.g.  GEOS-­‐5,  MERRA)  •  Mix  of  Free  Running  vs.  Nudged  

–  Full  Al'tude  Range  (e.g.  NOGAPS)  •  Does  simula'ng  variability  imply  ability  to  simulate  trends?  

21  

22  

Ques'ons?  

SD-­‐WACCM4/CARMA,  Ice  Mass  Default  Tuning,  Cloud  Height  Low  

23  

CIPS  SD-­‐WACCM/CARMA  

Days  Since  01  Jan  2007