[논문 리뷰] Effective radiative forcing in the aerosol-climate model CAM5.3-MARC-ARG

Benjamin S. Grandey, Daniel Rothenberg외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 17.

Atmospheric chemistry and aerosols참고 문헌 55인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 인위적 에어로졸의 효과적 복사강제력(EPR)을 CAM5.3-MARC-ARG를 사용하여 평가한다. 이 모델은 공동 대기 모델 5.3의 수정된 버전으로, 기본 MAM3 에어로졸 모듈을 에어로졸 혼합 상태와 다중 모달 크기 분포를 해소할 수 있는 MARC 모델로 대체한 것이다. MARC 설정은 MAM3 대비 전 지구 평균 순 ERF가 −1.75 ± 0.04 W m⁻²로 더 강하며, 주로 직접 및 표면 알베도 복사강제력 향상으로 인한 것이다. 지역적 ERF 차이는 구름의 단파선 복사강제력 변동성에 기인한다.

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is a new configuration of the Community Atmosphere Model version 5.3 (CAM5.3) in which the default aerosol module has been replaced by the two-Moment, Multi-Modal, Mixing-state-resolving Aerosol model for Research of Climate (MARC).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.

연구 동기 및 목표

• 개선된 에어로졸 미세물리학을 갖춘 새로운 CAM5.3 설정에서 인위적 에어로졸의 효과적 복사강제력(ERF)을 정량화하기 위해.
• 에어로졸 혼합 상태와 다중 모달 크기 분포가 복사강제력 및 구름 성질에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• CAM5.3에서 MARC 기반 시뮬레이션과 기본 MAM3 설정을 비교하여 에어로졸 표현 방식이 ERF에 미치는 영향을 분리하기 위해.
• 에어로졸 활성화 방법과 구름 미세물리학 파arameterization에 따른 ERF 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 기본 MAM3 에어로졸 모듈을 두 개의 모멘트, 다중 모달, 혼합 상태를 고려하는 에어로졸 모델(MARC)으로 대체한 CAM5.3-MARC-ARG를 사용하여 수행되었다.
• 모델는 ARG 에어로졸 활성화 방법을 사용하며, ERF 계산을 위해 1850년과 2000년의 고정된 에어로졸 배출량을 사용한다.
• 효과적 복사강제력은 해수면 온도를 고정한 상태에서 대기 상단의 복사플럭스 변화로 계산되었다.
• 복사역학 진단을 통해 직접, 구름 단파선, 구름 장파선, 표면 알베도 및 순 ERF 성분으로 분해되었다.
• 기상계산 출력물은 CCN 농도, 구름 수분량, 액체/ice 수분 경로와 같은 기상층 통합 에어로졸 및 구름 성질을 분석하였다.
• 모델 설정에 대한 민감도는 계산 비용과 진단 오버헤드를 평가하기 위해 시간 시뮬레이션을 통해 테스트되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CAM5.3에서 MAM3를 MARC로 대체할 경우, 인위적 에어로졸에 의한 효과적 복사강제력의 전 지구적 및 지역적 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 MARC 설정에서 총 ERF에 기여하는 직접, 구름 알베도, 구름 장파선 복사강제력의 상대 기여는 각각 얼마인가?
• RQ3 MARC와 MAM3 간의 에어로졸 혼합 상태 및 크기 분포의 차이가 구름 condensation nuclei(CCn) 및 구름 미세물리 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 MARC와 MAM3 간의 지역적 ERF 분포는 어느 정도 다를 수 있으며, 이러한 차이를 유도하는 요인은 무엇인가?
• RQ5 클리어 스카이 복사역학 진단의 포함 여부가 MARC 설정에서 시뮬레이션 비용과 ERF 정량화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MARC 설정은 전 지구 평균 순 효과적 복사강제력(ERF)을 −1.75 ± 0.04 W m⁻²로 산출하였으며, 이는 기본 MAM3 설정의 −1.57 ± 0.04 W m⁻²보다 더 강하다.
• MARC는 에어로졸 혼합 상태 및 크기 분포의 개선 덕분에 MAM3보다 직접 복사강제력과 표면 알베도 복사강제력의 냉각 효과가 더 강하다.
• MARC에서는 MAM3보다 구름 장파선 복사강제력이 따뜻해져, 에어로졸 유도 구름 변화가 더 강한 Greenhouse 유사 효과를 나타낸다.
• 전 지구 평균 구름 단파선 복사강제력은 MARC와 MAM3 간 유사하지만, 지역 분포는 상당히 다름. 특히 산업 및 하류 지역에서 두드러진다.
• 지역적 ERF 차이는 주로 CCN 농도 및 구름 미세물리 성질의 차이와 연결된 구름 단파선 복사강제력의 변동성에 기인한다.
• 클리어 스카이 진단이 켜지 않은 경우 MARC 모델은 MAM3 대비 시뮬레이션 비용을 약 5.8% 증가시키며, 진단이 활성화된 경우 10.9% 증가시킨다.