[論文レビュー] Numerical coupling of aerosol emissions, dry removal, and turbulent mixing in the E3SM Atmosphere Model version 1 (EAMv1), part I: dust budget analyses and the impacts of a revised coupling scheme

Hui Wan, Kai Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2023

Atmospheric aerosols and clouds被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、E3SM大気モデル v1 (EAMv1) において、微粒子プロセスの順序を再編成することで、より現実のダスト循環を的確に表現する修正された数値結合スキームを提案する。具体的には、表面からの微粒子排出を乾燥除去の後、乱流混合の前へと順序を変更することで、発生域における不自然な乾燥除去の強化を軽減する。この変更により、調整パラメータを変更せずに、全球的なダスト寿命が1.9日から2.6日へと延長され、ダスト負荷量は39%増加する。この変更はダストおよび塩素エアロゾルに顕著な影響を及ぼすが、1μm未満のエアロゾルには小さい影響にとどまる。

ABSTRACT

An earlier study evaluating the dust life cycle in the Energy Exascale Earth System Model (E3SM) Atmosphere Model version 1 (EAMv1) has revealed that the simulated global mean dust lifetime is substantially shorter when higher vertical resolution is used, primarily due to significant strengthening of dust dry removal in source regions. This paper demonstrates that the sequential splitting of aerosol emissions, dry removal, and turbulent mixing in the model's time integration loop, especially the calculation of dry removal after surface emissions and before turbulent mixing, is the primary reason for the vertical resolution sensitivity reported in that earlier study. Based on this reasoning, we propose a simple revision to the numerical process coupling scheme, which moves the application of the surface emissions to after dry removal and before turbulent mixing. The revised scheme allows newly emitted particles to be transported aloft by turbulence before being removed from the atmosphere, and hence better resembles the dust life cycle in the real world. Sensitivity experiments are conducted and analyzed to evaluate the impact of the revised coupling on the simulated aerosol climatology in EAMv1.

研究の動機と目的

• EAMv1におけるダスト寿命が垂直分解能に強く依存する原因を特定すること。
• 時間積分ループ内での微粒子プロセスの逐次的順序付けに起因する数値的アーティファクトを是正すること。
• 排出、乾燥除去、乱流混合の順序を再編成することで、ダスト循環の物理的現実性を向上させること。
• 修正された結合スキームが、全球的なダスト負荷量、寿命、輸送に与える影響を評価すること。

提案手法

• 表面エアロゾル排出を乾燥除去の後、乱流混合の前へと移動させることで、EAMv1における数値的プロセス結合を再編成する。
• ダスト、塩素エアロゾル、黒炭、一次有機エアロゾルを含む、すべての表面排出を持つエアロゾル種に対して、修正されたスキームを適用する。
• プロセス結合効果を隔離するために、1°の水平分解能と72層の垂直層を用いた風ナッピングシミュレーションを実施する。
• 元の結合スキームと修正されたスキームを用いたシミュレーションを比較し、ダスト質量予算、除去率、垂直混合の変化を定量的に評価する。
• EAMv1シミュレーションの即時および年平均出力を分析し、ダスト混合比および除去傾向の変化を評価する。
• 表面由来と二次生成エアロゾルを区別しながら、複数のエアロゾル種に及ぼす影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜEAMv1におけるダスト寿命は、特に高分解能シミュレーションにおいて垂直分解能に強く依存するのか？
• RQ2 現在のプロセス結合の順序（排出 → 乾燥除去 → 乱流混合）が、ダスト除去にどのような数値的アーティファクトを引き起こすのか？
• RQ3 排出を乾燥除去の後、乱流混合の前へと順序を再編成することで、シミュレートされたダスト負荷量および寿命にどのような影響を与えるのか？
• RQ4 排出および除去特性が異なる複数のエアロゾル種において、プロセス速度の変化がどのように伝播するのか？
• RQ5 修正された結合スキームは、ダスト発生域における不自然な乾燥除去をどの程度軽減し、ダスト輸送の現実性をどのように向上させるのか？

主な発見

• 調整パラメータを変更せずに、修正されたプロセス結合により、EAMv1の全球年平均ダスト負荷量は元の値と比較して39%増加した。
• ダスト発生域における乾燥除去の低減に起因し、全球平均ダスト寿命は1.9日から2.6日へと延長された。
• 修正されたスキームにより、ダスト発生域における乾燥除去が30–50%弱体化し、垂直混合が強化された。これは、ダスト排出と輸送の物理的順序をより的確に再現している。
• プロセス速度の変化はダストおよび塩素エアロゾルに顕著であり、黒炭および一次有機エアロゾルに対しても小さいが有意義な影響を及ぼした。
• 硫酸塩や二次有機エアロゾルなどの二次エアロゾルは、顕著な表面排出がないため、変化は無視できる程度であった。
• 修正された結合により、ダスト寿命および除去率の垂直分解能依存性が低減し、数値スプリッティング誤差が減少していることが示された。