[논문 리뷰] 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 Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 08.

Atmospheric aerosols and clouds인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 E3SM 대기모델 v1(EAMv1)에서 수치적 결합 방식을 개선하여 에어로졸 과정의 순서를 재정렬함으로써 실제 먼지 순환을 더 잘 표현하고자 한다. 구체적으로 표면에서의 에어로졸 배출를 건조 침강 이 후, 난류 혼합 이전으로 이동시켜 원천 지역에서의 인위적 건조 침강 강화를 줄이고자 하였다. 이로 인해 조정 파rameter 없이 전 세계 먼지 평균 수명이 1.9일에서 2.6일로 증가하고, 먼지 누적량은 39% 증가하였다. 이는 먼지 및 해염 에어로졸에 큰 영향을 주지만, 1μm 이하의 에어로졸에는 상대적으로 작은 영향을 미쳤다.

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.

연구 동기 및 목표

• EAMv1에서 먼지 수명이 수직 해상도에 대해 인위적으로 민감하게 나타나는 원인을 규명하는 것.
• 시간 통합 루프 내에서 에어로졸 과정 순서를 순차적으로 정렬함으로써 발생하는 수치적 오류를 해결하는 것.
• 배출, 건조 침강, 난류 혼합의 순서를 재정렬하여 먼지 순환 시뮬레이션의 물리적 현실성 향상.
• 수정된 결합 방식이 전 세계 먼지 누적량, 수명 및 다양한 에어로졸 종류 간의 이동에 미치는 영향 평가.

제안 방법

• 표면 에어로졸 배출를 건조 침강 이후, 난류 혼합 이전으로 이동시켜 EAMv1 내 수치 과정 결합 방식을 재정렬하는 것.
• 먼지, 해염, 흑연탄, 유기 에어로졸을 포함한 모든 표면 배출가능한 에어로졸 종류에 대해 수정된 방식을 적용하는 것.
• 과정 결합 효과를 분리하기 위해 1° 수평 해상도와 72개 수직 층을 가진 바람 유도 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 원래 및 수정된 결합 방식을 사용한 시뮬레이션을 비교하여 먼지 질량 예산, 제거 비율 및 수직 혼합 변화를 정량화하는 것.
• EAMv1 시뮬레이션의순간 및 연평균 출력을 분석하여 먼지 혼합비와 제거 경향 변화 평가.
• 표면에서 배출되는 에어로졸과 2차 생성 에어로졸을 구분하여 다양한 에어로졸 종류에 미치는 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 EAMv1에서 먼지 수명이 고해상도 시뮬레이션에서 수직 해상도에 매우 민감하게 나타나는가?
• RQ2 현재의 과정 결합 순서(배출 → 건조 침강 → 난류 혼합)가 먼지 제거 과정에서 수치적 오류를 유발하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 배출를 건조 침강 이후, 난류 혼합 이전으로 순서를 재정렬함으로써 시뮬레이션된 먼지 누적량과 수명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 배출 및 제거 특성이 서로 다른 다양한 에어로졸 종류 간에 과정 속도 변화가 어떻게 전파되는가?
• RQ5 수정된 결합 방식이 먼지 원천 지역에서의 인위적 건조 침강을 얼마나 줄이고, 먼지 이동의 현실성을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 조정 파rameter를 변경하지 않은 조건에서 수정된 과정 결합 방식은 전 세계 연평균 먼지 누적량을 원래 EAMv1 대비 39% 증가시켰다.
• 원천 지역에서의 건조 침강 감소로 인해 전 세계 평균 먼지 수명이 1.9일에서 2.6일로 증가하였다.
• 수정된 방식은 먼지 원천 지역에서 건조 침강을 30~50% 감소시키고 수직 혼합을 강화하여 먼지 배출 및 이동의 물리적 순서를 더 잘 반영한다.
• 과정 속도 변화는 먼지 및 해염에 가장 두드러지게 나타나며, 흑연탄 및 주요 유기 에어로졸에도 상당한 영향을 미친다.
• 황산 및 2차 유기 에어로졸과 같은 2차 에어로졸는 표면 배출가능성이 크지 않아 변화가 거의 없었다.
• 수정된 결합 방식은 먼지 수명과 제거 비율이 수직 해상도에 민감하게 반응하는 것을 줄여 수치 분할 오류 감소를 시사한다.