[論文レビュー] Effective radiative forcing in the aerosol-climate model CAM5.3-MARC-ARG

Benjamin S. Grandey, Daniel Rothenberg+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2018

Atmospheric chemistry and aerosols参考文献 55被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、コミュニティ大気モデル5.3の改変版であるCAM5.3-MARC-ARGを用いて、人為的エアロゾルの有効放射強制力（ERF）を評価している。CAM5.3-MARC-ARGは、デフォルトのMAM3エアロゾルモジュールを、混合状態とマルチモードサイズ分布を解像するMARカモデルに置き換えたものである。MARC設定では、直接効果と表面アルベド放射効果の強化により、MAM3と比較してより強い全球平均のネットERF（−1.75 ± 0.04 W m⁻²）を示し、一方MAM3では−1.57 ± 0.04 W m⁻²であった。地域的ERFの差は、雲の短波放射効果の変動に起因する。

ABSTRACT

We quantify the effective radiative forcing (ERF) of anthropogenic aerosols modelled by the aerosol-climate model CAM5.3-MARC-ARG. CAM5.3-MARC-ARG is a new configuration of the Community Atmosphere Model version 5.3 (CAM5.3) in which the default aerosol module has been replaced by the two-Moment, Multi-Modal, Mixing-state-resolving Aerosol model for Research of Climate (MARC). CAM5.3-MARC-ARG uses the default ARG aerosol activation scheme, consistent with the default configuration of CAM5.3. We compute differences between simulations using year-1850 aerosol emissions and simulations using year-2000 aerosol emissions in order to assess the radiative effects of anthropogenic aerosols. We compare the aerosol column burdens, cloud properties, and radiative effects produced by CAM5.3-MARC-ARG with those produced by the default configuration of CAM5.3, which uses the modal aerosol module with three log-normal modes (MAM3). Compared with MAM3, we find that MARC produces stronger cooling via the direct radiative effect, stronger cooling via the surface albedo radiative effect, and stronger warming via the cloud longwave radiative effect. The global mean cloud shortwave radiative effect is similar between MARC and MAM3, although the regional distributions differ. Overall, MARC produces a global mean net ERF of -1.75$\\pm$0.04 W m$^{-2}$, which is stronger than the global mean net ERF of -1.57$\\pm$0.04 W m$^{-2}$ produced by MAM3. The regional distribution of ERF also differs between MARC and MAM3, largely due to differences in the regional distribution of the cloud shortwave radiative effect. We conclude that the specific representation of aerosols in global climate models, including aerosol mixing state, has important implications for climate modelling.

研究の動機と目的

• 人為的エアロゾルの有効放射強制力（ERF）を、より優れたエアロゾル微物理を備えた新しいCAM5.3設定で定量すること。
• エアロゾル混合状態とマルチモードサイズ分布が放射強制力および雲特性に与える影響を評価すること。
• CAM5.3におけるMARCベースのシミュレーションとデフォルトのMAM3設定を比較し、エアロゾル表現のERFへの影響を分離すること。
• エアロゾル活性化スキームおよび雲微物理パラメータ化へのERFの感受性を評価すること。

提案手法

• シミュレーションは、デフォルトのMAM3エアロゾルモジュールを、2モーメント、マルチモード、混合状態解像型エアロゾルモデル（MARC）に置き換えたCAM5.3-MARC-ARGを用いて実施した。
• モデルはARGエアロゾル活性化スキームを用い、ERF計算のための1850年および2000年の所定のエアロゾル排出量を採用した。
• 有効放射強制力は、海面温度を固定した状態での大気上部における放射フラックスの摂動として計算された。
• 放射診断を用いて、直接効果、雲短波放射効果、雲長波放射効果、表面アルベド効果、およびネットERF成分に放射効果を分解した。
• コア濃度、雲水滴数、液水・氷水パスなどの柱積分型エアロゾルおよび雲特性について、モデル出力を分析した。
• 計算コストと診断オーバーヘッドを評価するため、タイミングシミュレーションを用いてモデル設定への感受性をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CAM5.3におけるMAM3の置き換えが、人為的エアロゾルの有効放射強制力の全球的および地域的分布に与える影響は何か？
• RQ2 MARC設定における、直接効果、雲アルベド効果、雲長波放射効果の相対的寄与は、総ERFにどのように寄与しているか？
• RQ3 MARCとMAM3の間でのエアロゾル混合状態およびサイズ分布の違いが、雲凝結核（CCN）および雲微物理的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 MARCとMAM3の間で、ERFの地域的分布にどのような差が生じ、その差の背後にある要因は何か？
• RQ5 クリーンスカイ放射診断の導入が、MARC設定におけるシミュレーションコストおよびERFの定量化に与える影響はどの程度か？

主な発見

• MARC設定では、全球平均のネット有効放射強制力（ERF）が−1.75 ± 0.04 W m⁻²を示し、デフォルトのMAM3設定の−1.57 ± 0.04 W m⁻²よりも強い。
• MARCは、エアロゾル混合状態とサイズ分布のより良い表現により、直接放射効果および表面アルベド放射効果による冷却効果をMAM3よりも強く示した。
• 雲長波放射効果は、MARCの方がMAM3よりも温かく、エアロゾルに起因する雲の変化によるより強い温室効果を示している。
• 全球平均の雲短波放射効果はMARCとMAM3で類似しているが、特に産業地域および下流地域で地域的分布に顕著な差が生じた。
• 地域的ERFの差は、主に雲短波放射効果の変動に起因し、CCN濃度および雲微物理の差と関連している。
• クリーンスカイ診断をオフにした場合、MARCモデルはMAM3に比べてシミュレーションコストを約5.8%増加させ、診断を有効にした場合は10.9%増加させた。