Aerosol indirect effects and the importance of the CCN budget for marine low clouds

Robert Wood, University of WashingtonArtist: Christine Hella‐Thompson

MBL clouds likely responsible for much of the global aerosol indirect forcing

LEFT: Annual mean aerosol first indirect forcing; RIGHT: uncertainty in simulated first indirect forcing due to uncertainty in model (GLOMAP) parameters. Note the large aerosol indirect forcing and uncertainty in the ENA. Adapted from Carslaw et al. (2013)

Aerosol indirect effects• Twomey (Na‐Nd‐albedo) [aerosol concentration – cloud droplet 

concentration – cloud optical thickness]– Five decades of evidence linking cloud droplet concentration with 

aerosol concentration.  – Twomey effect: strong sensitivity of albedo to unperturbed 

aerosol state.• Light precipitation sensitivity to Nd

– Drizzle common in the cloud‐capped PBL, esp. over ocean– Consistent indication that Sc clouds with same amount of 

condensate precipitate less readily when they have larger Nd

– Unclear from field data about susceptibility of precip. in Cu • Importance of cloud dynamical responses to aerosol

– Are polluted clouds more vigorous?– Cloud top entrainment

Key physical processes: Stratocumulus

Large scale subsidence

Na‐Nd relationship• Formalized as the ACI metric (e.g. Feingold et al.):

lnln

– where Na usually refers to as the concentration of accumulation mode aerosol particles.

• More complex relationship known as cloud droplet concentration closure (whereby entire CCN spectrum or size distribution/composition is specified, along with updraft speed statistics)

• Consequences for cloud albedo first proposed by Twomey(1974, 1977)

Twomey, S., and J. Warner, 1967: Comparison of Measurements of Cloud Droplets and Cloud Nuclei. J. Atmos. Sci., 24, 702–3

• First Nd closure experiments by Twomey and Warner (right)

• Revisited in the 1990s (Martin et al. 1994, below)– Linear relationships for low Na

– “saturation” effect at larger Na

Martin, G. M., D. W. Johnson, and A. Spice, 1994:The Measurement and Parameterization of Effective Radius of Droplets in Warm Stratocumulus Clouds. J. Atmos. Sci., 51, 1823–42.

Cloud droplet concentration closure

• Excellent closure in small Cu and Sc

• Activation largely a solved problem (although not necessarily in application to climate models)

Conant, W. C., T. M. VanReken, T. A. Rissman, V. Varutbangkul, H. H. Jonsson, A. Nenes, J. L. Jimenez, et al., 2004: Aerosol–cloud Drop Concentration Closure in Warm Cumulus. J. Geophys. Res.,109, D13204.

ACI• More recently (2000s) attention has turned to evaluation of Twomey effect on 

cloud radiative properties, e.g. using ACI metrics: lnln

– where Na usually refers to as the concentration of accumulation mode aerosol particles.

Painemal, D., and P. Zuidema. The First Aerosol Indirect Effect Quantified through Airborne Remote Sensing during VOCALS-REx. Atmos. Chem. Phys., 13, 917–31.

• Feingold, G., W. L. Eberhard, D. E. Veron, and M. Previdi, 2003: First Measurements of the Twomey Indirect Effect Using Ground-Based Remote Sensors. Geophysical Research Letters, 30, 1287.

• McComiskey, A., G. Feingold, A. S. Frisch, D. D. Turner, M. A. Miller, J. C. Chiu, Q. Min, and J. A. Ogren, 2009: An Assessment of Aerosol-Cloud Interactions in Marine Stratus Clouds Based on Surface Remote Sensing. J. Geophys. Res., 114, D09203.

• McComiskey, A., and G. Feingold. “The Scale Problem in Quantifying Aerosol Indirect Effects.” Atmospheric Chemistry and Physics 12, no. 2 (January 23, 2012): 1031–49. doi:10.5194/acp-12-1031-2012.

• Discrepancies between aircraft (e.g. Painemal and Zuidema values close to Twomey expectations) and remote sensing estimates that are often lower (see McComiskey et al. 2012) – scale issues?

Twomey albedo susceptibilityCombine Twomey’s expression for cloud optical thickness: 

/ /

with simple expression for albedo,  / 7 , to estimate the rate of change of albedo with N (termed the albedo susceptibility, Platnick and Twomey 1994), to obtain:

13

This form, although not in the original Twomey (1974,77) papers, is the most instructive way to visualize the key results:• Clouds with low N are most susceptible to an increase in N• Clouds with albedos  0.5 are more susceptible to increases in N than 

clouds with either lower or higher albedo.

Platnick, S., and S. Twomey, 1994: Determining the Susceptibility of Cloud Albedo to Changes in Droplet Concentration with the Advanced Very High Resolution Radiometer. Journal of Applied Meteorology 33, 334–47.

Minimum allowed cloud droplet concentration influences indirect forcing in models

Quaas et al., AEROCOM (Atmos. Chem. Phys., 2009)                     Hoose et al. (GRL, 2009)

Low Nd background  strong Twomey effectHigh Nd background  weaker Twomey effect

LANDOCEAN

Forcing [W

 m‐2]             

0        10       20        30      40  

A  ln(Nperturbed/Nunpertubed)A  ln(Nperturbed/Nunpertubed)

Precipitation “susceptibility” metric

Analogous to albedo susceptibility, precipitation susceptibility expresses sensitivity of precipitation rate to cloud droplet concentration:

Feingold, G., and H. Siebert, Cloud-aerosol interactions from the micro to the cloud scale. Chapter 14 in Strungmann Forum report, vol. 2. Cambridge, MA: The MIT press., 2009.

Mann, J. A. L., J. C. Chiu, R. J. Hogan, E. J. O’Connor, T. S. L’Ecuyer, T. H. M. Stein, and A. Jefferson, 2014: Aerosol Impacts on Drizzle Properties in Warm Clouds from ARM Mobile Facility Maritime and Continental Deployments. J. Geophys.Res. 119, 2013JD021339.

Precipitation susceptibility in 

marine low clouds from ground based remote sensing, aircraft 

and LES 

Cloud macrophysical responses: ship tracks are useful control experiments for aerosol influences on clouds

• LWC reductions in some ship tracks (see also Coakley and Walsh 2002)

• Effect likely related to increased cloud top entrainment caused by (a) TKE invigoration due to drizzle suppression; (b) reduced cloud drop sedimentation (Ackerman et al. 2004, Bretherton et al. 2007) 

Chen et al. (Atmos. Chem. Phys., 2012)

Albedo susceptibility

The need to quantify sources and sinks in the MBL CCN budget

• Aerosol indirect effect magnitude sensitive to unperturbed (preindustrial) aerosol loading– Can be understood theoretically from combination of Twomey effect 

and sublinear Nd‐Na relationship

• Unperturbed aerosol loading dependent upon balance of natural sources and sinks of CCN

• Perturbed aerosol loading dependent upon flux (transport) of pollution aerosol and aerosol sinks

• New natural surface aerosol sources have been identified• Processes controlling CCN budget (e.g. precipitation, 

entrainment) are also critical mediators of aerosol indirect effects

What factors control the magnitude and uncertainty of the global AIE?

Ghan et al. (J.Geophys. Res., 2013)…..also Carslaw et al. (Nature, 2013)

Simple CCN budget in the MBL

Model accounts for:• Entrainment• Surface production (sea‐spray only)• Coalescence scavenging• Dry depositionModel does not account for:• New particle formation – significance still too uncertain to 

include• Advection

Conceptual model of background FT aerosol

Clarke et al. (J. Geophys. Res. 1998)

Production terms in CCN budgetFT Aerosol concentration

MBL depth

Entrainment rate

Wind speed at 10 mSea‐salt 

parameterization‐dependentconstant

We use Clarke et al. (J. Geophys. Res., 2007) at 0.4% supersaturationto represent an upper limit

Loss terms in CCN budget: (1) Coalescence scavenging

Precip. rate at cloud base

MBL depth

Constant

cloud thickness

Wood, J. Geophys. Res., 2006

Comparison against results from stochastic collection equation (SCE) applied to observed size distribution

Loss terms in CCN budget: (2) Dry deposition

Deposition velocity

wdep= 0.002 to 0.03 cm s‐1  (Georgi 1988)K = 2.25 m2 kg‐1 (Wood 2006)

For PCB = > 0.1 mm day‐1 and h = 300 m

= 3 to 30

For precip rates > 0.1 mm day‐1, coalescence scavenging dominates

Steady state (equilibrium) CCN concentration

…..drizzle helps control CCN and cloud microphysical variability in the MBL

• Simple budget model for CCN/Ndin the MBL:

Wood et al. (J. Geophys. Res. 2012)

• Assume constant FT aerosol conc. •Model Nd gradients mostly driven by precipitation sinks

Cloud effects on aerosols

Twomey, S., and T. A. Wojciechowski, 1969: Observations of the Geographical Variation of Cloud Nuclei. J. Atmos. Sci., 26, 648–51.

Accumulation mode

All particles

Ultra‐CleanLayer

Cloud

Ultra‐Clean Layers – a common occurrence?

• Aircraft observations from VOCALS identified Ultra‐Clean Layers (UCLs) at the level of the detraining cloud layer in ALL open cell cases (POCs) sampled; common during recent CSET campaign over NE Pacific

• In UCLs, CCN concs. are two orders of magnitude lower than those near the surface

• Impacts of such low CCN on clouds and susceptibility to aerosol perturbations unclear

Sources of remote MBL CCN 

Summary

• The magnitude of the global aerosol indirect forcing is critically dependent upon:– Marine boundary layer cloud macrophysical responses (turbulence, PBL structure, LWP, entrainment, cloud cover) to aerosol perturbations

– Unperturbed (preindustrial) CCN concentration and particle size

• Processes controlling MBL CCN budget are also critical for determining magnitude of aerosol indirect forcing

Liquid clouds immediately above and below a biomass burning aerosol layer    over the SE Atlantic, W. of Angola [MODIS Terra, RGB]

50 km

Light precipitation drives cloud transitions

DYCOMS‐2 Field CampaignStevens et al. (2005, BAMS)

Polluted shallow cumulus may have shorter lifetimes

Chuang Small, Jennifer D., Patrick Y. Chuang, Graham Feingold, and Hongli Jiang. “Can Aerosol Decrease Cloud Lifetime?” Geophysical Research Letters 36, no. 16 (August 1, 2009): L16806. doi:10.1029/2009GL038888.

Lessons

• Na‐Nd relationships mostly an engineering rather than a science challenge– Scale effects important; updrafts important

• Observations show good evidence for aerosol‐driven precipitation suppression, but also for precipitation‐driven aerosol suppression– Together with “contamination” of the CCN signal by near‐cloud 

radiative/swelling effects, results in major challenges in interpreting satellite aerosol‐cloud relationships

• Cloud macrophysical responses to changing CCN can be observed but obtaining adequate controls is challenging– Ship track clouds can increase or decrease condensate in response to 

aerosol increases. 

High resolution measurements of the EIL atop stratocumulus

Katzwinkel et al. (BLM, 2011)“nibbling rather than engulfment”

2

1

0

‐1

Normalize

d he

ight 40‐80 m

Freetroposphere

Cloudlayer

EntrainmentInterfacialLayer (EIL)

Large eddy scale << EIL thickness

Light precipitation sensitivity to NdFirst quantitative measurements in Sc. clouds (Brost et al. 1982)

z/z i

Water flux [g m‐3 m s‐1]

Precipitation increases strongly with cloud top 

height in warm precipitating trade cumulus (Byers and 

Hall 1955)

Entrainment in trade cumulus: new considerations

Mass flux

Mass flux

Distance from cloud edge [m]

Heus et al. (2009)Jonker et al. (2008)

LES model

Obs (RICO)

• Upward mass transport in cumulus clouds primarily balanced by near‐cloud downdrafts

• Implications for species longevity in the trade Cu MBL, and for lateral entrainment

New capabilities open new frontiers

• ARM Climate Research Facilities, especially new remote sensing and aerosol sampling suites, offer long‐duration sampling of cloud physical and dynamical processes. New statistical approaches to cloud sampling. New permanent ARM site in the Azores.

• Need for more routine measurements over the remote ocean (e.g. NSF Ocean Observatories Initiative “super buoys”)

• Aircraft facilities now offer longer range (e.g. Global Hawk, HIAPER), unprecedented remote sensing

• Big capabilities  need big thinking

Where new field observations can help• Factors controlling cloud top entrainment in stratocumulus and cumulus. – Role of shear and evaporative cooling uncertain.– Need to exploit new measurements approaches, both in‐situ (very high resolution measurements) and remote sensing (new Doppler radar and lidar approaches)

• Microphysical impacts (both CCN and ice formation) on marine low clouds over the extratropical oceans– IN remain poorly understood and measured– Role of aerosol in influencing extratropical cloud regimes (e.g. open/closed cells, collapsed boundary layers)

– Aerosol transport mechanisms to the remote ocean– What controls cloud droplet concentration over the extratropical oceans? 

Dave Leon, Chris Bretherton

Outbound leg

Return leg

Stratocumulus cloud thickness

What remains to be done?• Understanding of entrainment and key processes affecting it remains poor– New measurement techniques required– Large eddy models do not yet explicitly model entrainment

• Large scale model treatments of low clouds are improving but low cloud feedback not narrowing significantly. Why?

• Aerosol impacts on Sc and (perhaps as importantly) Sc impacts on aerosols are not well known

Shallow, well‐mixed STBLShallow, well‐mixed STBL

Deep, cumulus‐coupled STBLDeep, cumulus‐coupled STBL

Differences in precipitation 

“efficiency” between continental and marine 

clouds

Battan, L. J., and R. R. Braham, 1956: A Study of Convective Precipitation Based on Cloud and Radar Observations. J. Meteorol., 13, 587–91

Canonical profiles

Albrecht et al. (J. Geophys. Res., 1995)

Entrainment interfacial layer

Recent MBL Cloud focused field programs