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Jul 16, 2023

Le ipotesi sul flusso di calore contribuiscono a sovrastimare l’iniezione di fumo degli incendi nella troposfera libera

Comunicazioni Terra e Ambiente volume 3, Numero articolo: 236 (2022) Cita questo articolo 1719 Accessi 3 Citazioni 5 Dettagli metriche altmetriche Iniezioni di pennacchi di fumo di incendi nell'aria libera

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Le iniezioni di pennacchi di fumo di incendi nella libera troposfera influiscono sulla qualità dell’aria, ma le previsioni dei modelli sulle iniezioni sono inadeguate. Qui, utilizziamo le osservazioni degli aerei ottenute durante gli incendi degli Stati Uniti occidentali del 2019 (FIREX-AQ) per valutare una parametrizzazione dell'aumento del pennacchio di fumo comunemente usata in due modelli di trasporto chimico atmosferico (WRF-Chem e HRRR-Smoke). Le osservazioni mostrano che le iniezioni di fumo nella troposfera libera si verificano nel 35% dei pennacchi, mentre i modelli prevedono il 59-95% indicando false iniezioni nelle simulazioni. Le false iniezioni sono state associate ad entrambi i modelli che sovrastimano il flusso di calore del fuoco e l’altezza del terreno, e che WRF-Chem sottostima l’altezza dello strato limite planetario. Stimiamo che la frazione radiante del flusso di calore sia da 0,5 a 25 volte maggiore nei modelli che nelle osservazioni, a seconda del tipo di combustibile. Le prestazioni del modello sono state sostanzialmente migliorate utilizzando il flusso di calore osservato e le altezze degli strati limite, confermando che i modelli necessitano di flussi di calore e altezze degli strati limite accurati per prevedere correttamente le iniezioni di pennacchi.

Il fumo degli incendi ha un impatto sul bilancio radiativo1 della Terra, sulla qualità dell’aria2, sulla visibilità3 e sulla salute umana4 aumentando il carico atmosferico di inquinanti. Sono stati osservati incendi più violenti e stagioni degli incendi più lunghe che sembrano essere correlati al cambiamento climatico di origine antropica5,6. Nei futuri regimi climatici si prevede un ulteriore degrado della qualità dell’aria e della visibilità dovuto al fumo7.

L’innalzamento del pennacchio si riferisce al trasporto verticale di gas di fumo caldi e particelle attraverso l’atmosfera. Questo processo può provocare iniezioni di pennacchi, dove il fumo raggiunge la troposfera libera, o non iniezioni di pennacchi, dove il fumo rimane confinato all’interno dello strato limite planetario (PBL). Studi precedenti hanno dimostrato che i pennacchi iniettati tendono a occupare strati di stabilità ambientale e che le iniezioni di pennacchi sono associati a un elevato potere radiativo del fuoco (FRP) e a condizioni meteorologiche favorevoli al fuoco8,9,10. Le osservazioni del Multi-angle Imaging Spectroradiometer (MISR) indicano che l'iniezione nella troposfera libera avviene nel 4-12% delle sommità dei pennacchi di fumo del Nord America8,9,11,12, e i dati del Cloud-Aerosol Lidar con polarizzazione ortogonale indicano che l'iniezione della colonna di fumo totale nella troposfera libera si trova nel 78% dei pennacchi di fumo del Nord America10. Tuttavia, la percentuale MISR potrebbe essere troppo bassa a causa dei cavalcavia satellitari che si verificano al mattino (~ 10:30 LT per MISR), quando i pennacchi non si sono completamente sviluppati11. I pennacchi iniettati possono essere avvetti sottovento con poca diluizione13 e quindi tendono ad avere impatti più regionali. D’altra parte, i pennacchi non iniettati tendono ad avere impatti più locali a causa di una più efficiente miscelazione verso il basso da parte della turbolenza PBL ambientale.

La parametrizzazione dell'aumento del pennacchio di Freitas è un modello unidimensionale di risoluzione delle nuvole. Solitamente è incorporato in un modello host tridimensionale che specifica l'ambiente ambientale14. Questo modello rappresenta gli incendi come flussi di galleggiamento superficiale che dipendono dalla dimensione istantanea dell’incendio, dal flusso di calore convettivo e dal tipo di combustibile. Questo modello tende a sovraperformare i modelli che assegnano le emissioni a un unico livello o a una distribuzione verticale fissa15,16,17. Tuttavia, il modello dipende dalle stime delle dimensioni dell’incendio e del flusso di calore, sovrastima la frequenza dell’iniezione troposferica libera e tende a sottostimare la gamma di altezze dei pennacchi osservati18,19. Le cause proposte delle carenze del modello di Freitas includono incertezze nel trascinamento laterale e nei parametri di input. Il trascinamento dipende dalle dimensioni dell'incendio, quindi le versioni del modello Freitas che consentono dimensioni variabili dell'incendio possono migliorare la gamma modellata delle altezze dei pennacchi15,18. Inoltre, l'aggiunta esplicita del trascinamento a una versione successiva del modello ha migliorato le prestazioni20,21. L'incertezza nei parametri di input, in particolare la dimensione dell'incendio e l'FRP, può essere causata dal pennacchio che maschera i recuperi di FRP, dalla forma o dimensione errata dell'incendio o dalla variabilità della combustione con il tipo di vegetazione18,22.