[论文解读] 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 21

一句话总结

本研究利用CAM5.3-MARC-ARG（一种将默认的MAM3气溶胶模块替换为可解析气溶胶混合状态和多模态粒径分布的MAR气溶胶模型的社区大气模型5.3改进版本）评估了人为气溶胶的有效辐射强迫（ERF）。与MAM3配置相比，MARC配置在全球平均净ERF上表现出更强的冷却效应（−1.75 ± 0.04 W m⁻² vs. −1.57 ± 0.04 W m⁻²），主要归因于增强的直接辐射效应和地表反照率辐射效应，而区域ERF差异则主要由云短波辐射效应的变异性驱动。

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is a new configuration of the Community Atmosphere Model version 5.3 (CAM5.3) in which the default aerosol module has been replaced by the two-Moment, Multi-Modal, Mixing-state-resolving Aerosol model for Research of Climate (MARC).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

研究动机与目标

• 量化新型CAM5.3配置中改进气溶胶微物理过程后的人为气溶胶有效辐射强迫（ERF）。
• 评估气溶胶混合状态和多模态粒径分布对辐射强迫和云特性的影响。
• 将基于MARC的模拟与CAM5.3中默认的MAM3配置进行比较，以隔离气溶胶表示方式对ERF的影响。
• 评估ERF对气溶胶活化方案和云微物理参数化方案的敏感性。

提出的方法

• 利用CAM5.3-MARC-ARG开展模拟，将默认的MAM3气溶胶模块替换为双Moment、多模态、可解析混合状态的气溶胶模型（MARC）。
• 模型采用ARG气溶胶活化方案，并使用1850年和2000年的预设气溶胶排放量进行ERF计算。
• 有效辐射强迫定义为在固定海表面温度条件下，大气顶辐射通量的扰动量。
• 通过辐射诊断，将辐射效应分解为直接、云短波、云长波、地表反照率和净ERF分量。
• 对气溶胶和云的柱平均属性（包括CCN浓度、云滴数和液态/冰水路径）进行模型输出分析。
• 通过定时模拟测试模型配置的敏感性，以评估计算成本和诊断开销。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CAM5.3中用MARC替代MAM3后，对人为气溶胶的有效辐射强迫的全球和区域分布有何影响？
• RQ2 在MARC配置中，直接辐射效应、云反照率效应和云长波辐射效应对总ERF的相对贡献如何？
• RQ3 MARC与MAM3在气溶胶混合状态和粒径分布上的差异如何改变云 condensation nuclei（CCN）和云微物理特性？
• RQ4 MARC与MAM3在ERF的区域分布上存在多大差异？这些差异的驱动因素是什么？
• RQ5 在MARC配置中引入晴空辐射诊断对模拟成本和ERF量化有何影响？

主要发现

• MARC配置产生的全球平均净有效辐射强迫（ERF）为−1.75 ± 0.04 W m⁻²，显著强于默认MAM3配置的−1.57 ± 0.04 W m⁻²。
• 由于更准确地表征了气溶胶混合状态和粒径分布，MARC在直接辐射效应和地表反照率辐射效应方面表现出更强的冷却作用，优于MAM3。
• 与MAM3相比，MARC的云长波辐射效应更暖，表明气溶胶引起的云变化具有更强的温室效应。
• 尽管全球平均云短波辐射效应在MARC和MAM3之间相似，但区域分布存在显著差异，尤其是在工业区及其下风区域。
• 区域ERF差异主要由云短波辐射效应的变化驱动，这与CCN浓度和云微物理特性的差异密切相关。
• 当晴空诊断关闭时，MARC模型相比MAM3使模拟成本增加约5.8%；当诊断启用时，成本增加达10.9%。