[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文在E3SM大气模式v1（EAMv1）中提出了一种改进的数值耦合方案，通过调整气溶胶过程的顺序——将地表排放置于干沉降之后、湍流混合之前——以更真实地反映现实世界中沙尘的生命周期。该调整减少了源区中人为强化的干沉降现象，使全球沙尘寿命从1.9天增加至2.6天，沙尘载量提高39%，且无需调整参数；该改进对沙尘和海盐影响显著，而对亚微米气溶胶的影响较小。

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.

研究动机与目标

• 识别EAMv1中沙尘寿命对垂直分辨率产生人为敏感性的原因。
• 解决时间积分循环中气溶胶过程顺序排列导致的数值伪影问题。
• 通过重新排序排放、干沉降和湍流混合的顺序，提升沙尘生命周期模拟的物理真实性。
• 评估改进后耦合方案对全球沙尘载量、寿命及多种气溶胶物种输送的影响。

提出的方法

• 通过将地表气溶胶排放移至干沉降之后、湍流混合之前，重新排序EAMv1中的数值过程耦合。
• 将改进方案应用于所有具有地表排放的气溶胶种类，包括沙尘、海盐、黑碳和有机气溶胶。
• 开展风场强迫模拟，水平分辨率为1°，垂直层为72层，以隔离过程耦合的影响。
• 对比原始与改进耦合方案的模拟结果，量化沙尘质量收支、移除速率及垂直混合的变化。
• 分析EAMv1模拟的瞬时与年均输出，评估沙尘混合比和移除趋势的变化。
• 评估改进方案对多种气溶胶类型的影响，区分地表排放与二次生成气溶胶。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何EAMv1中沙尘寿命对垂直分辨率表现出强烈敏感性，尤其是在高分辨率模拟中？
• RQ2 当前的流程耦合顺序（即排放先于干沉降和湍流混合）如何在沙尘移除过程中引入数值伪影？
• RQ3 将流程耦合顺序调整为排放置于干沉降之后、湍流混合之前，对模拟的沙尘载量和寿命有何影响？
• RQ4 不同气溶胶种类在排放与移除特性各异的情况下，过程速率的变化如何传播？
• RQ5 改进后的耦合方案在多大程度上减少了沙尘源区的人为干沉降，并提升了沙尘输送的真实性？

主要发现

• 在不调整参数的情况下，与原始EAMv1相比，改进后流程耦合使全球年均沙尘载量提高了39%。
• 由于源区干沉降减少，全球平均沙尘寿命从1.9天增加至2.6天。
• 改进方案使沙尘源区的干沉降减弱了30%–50%，同时增强了垂直混合，更准确地反映了沙尘排放与输送的物理时序。
• 过程速率变化对沙尘和海盐最为显著，对黑碳和一次有机气溶胶也有较小但显著的影响。
• 二次气溶胶（如硫酸盐和二次有机气溶胶）变化可忽略，因其缺乏显著的地表排放。
• 改进后的耦合显著降低了沙尘寿命和移除速率对垂直分辨率的敏感性，表明数值分裂误差得到减少。