区域气候模式对海盐的模拟：辐射通量和辐射强迫外文翻译资料

 2022-12-07 16:07:55

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区域气候模式对海盐的模拟：辐射通量和辐射强迫

  1. S. Zakey,1,2 F. Giorgi,1 and X. Bi1

收稿日期：2007年7月23日; 修稿日期：2007年11月9日;定稿日期：2008年4月4日;发表日期：2008年7月31日。

[1]区域气候模式（RegCM)被用作区域规模海盐模拟的建模框架。这是利用区域气候模式来研究海盐辐射对区域气候的影响的第一步，这次首次公布的尝试包括区域气候模拟框架内的辐射活跃的海盐气溶胶。一个海盐生成模块包括细粒子和粗颗粒两个模式的耦合，并在REGCM系统内对其模拟区域尺度海盐的能力进行评估。该模型对三个主要的海盐气溶胶源地进行测试，即地中海，阿拉伯海和北部大西洋。相比于可观察或其他模拟系统，在对这些地区的所有模拟中，区域气候模式（REGCM）对海盐通量和浓度的模拟有不错的表现。我们通过比较卫星观测到的气溶胶光学厚度和区域气候模式（REGCM）对海盐辐射强迫的模拟来评估该模式，结果显示出积聚模态的粒子可能在海盐辐射的相互作用中起主导作用。

引文：Zakey，A. S.，F的Giorgi和X.毕（2008年），海盐的建模区域气候模式：涨潮和辐射力，J.地球物理。水库，113，D14221，DOI：10.1029/2007JD009209。

[2]大气中有多种气溶胶，包括硫酸盐，黑碳和有机碳，矿物灰尘和海盐[Haywood et al., 1999; Solmon et al.,2006; Zakey et al., 2006]。大气气溶胶很重要，因为它们会影响健康，空气质量，云的形成，气象和气候。亚微米颗粒（直径小于1mm）通过渗透到人肺的最深部分影响人体健康。直径为0.2-1毫米的气溶胶粒子（例如，硫酸盐，硝酸盐和有机碳）能有效地散射光。包括黑碳在内的小于1mm的气溶胶粒子能有效地吸收光。这些气溶胶的吸收和散射作用影响着辐射能量通量（因此对温度产生影响）和光解速率（从而影响大气的组成）。

[3]海盐是在质量方面最丰富的天然大气气溶胶。海洋飞沫基本上会产生三种液滴：膜滴，射滴，裂滴。薄膜滴和喷射液滴是气泡在海面破裂的过程中产生的。当气泡上升到海洋表面，其薄膜顶最终破裂并喷出几十到几百个粒径约为0.5-5mm的膜滴。泡沫破裂后，底部形成一个向上的喷射水柱。由于沿该射柱的喷射速度不同，它分解成几个半径为3-50mm的典型的“射”滴，这取决于气泡的大小。气泡通过湍流和Langmuir循环在整个水柱中传送，并且浮力的影响下上升。当他们最终伸出水面，薄膜顶破裂，射滴产生[Blanchard, 1985; And reas, 1998; De Leeuw etal., 2000]。风使浪花顶部直接碎裂出的泡沫滴，它们的最小半径约为20毫米，是喷射出的最大的液滴。当表面风和海浪迫使气泡破裂时，直到10米的风力达到7-11米/秒范围内，泡沫滴才开始形成。

[4]在过去的几年中，海盐气溶胶的气候效应受到越来越多的关注[例如,Mahowald et al., 2006; Easter et al., 2004]. Afeti and Resch [1990], Andreas [1992], Andreas et al. [1995],Blanchard [1963, 1989], Kientzler et al. [1954], Koga[1981], Monahan [1986], Monahan et al. [1986], Spiel[1994, 1995], Woolf et al. [1987], Wu [1993, 1994], Clarkeet al. [2006], Martensson et al. [2003], and De Leeuw etal. [2000] 等，他们试图量化气泡和泡沫的产生机制。海盐气溶胶的全球通量在1000-10000Tg这个比较大的范围内，约占自然源的30-75％[Blanchard and Woodcock, 1957]。很少有研究在区域范围内探究海盐的产生。[Tindale and Pease, 1999; Vinoj and Satheesh, 2004;Foltescu et al., 2005].例如，在热带印度洋海盐气溶胶占总气溶胶质量的11％[Satheesh et al., 2002]。

[5]对海盐通量的估计的相对大的不确定性与此通量在示踪剂输运模型中代表性的不确定性有部分相关性，事实上，在水表面发生的不同的物理过程有助于海盐颗粒的排放[例如，Monahan et al.，1986]，并且可以在文献中找到大量的起盐机制[Andreas, 1989, 1998; Monahan etal., 1986; Orsquo;Dowd et al., 1993; Gong, 2003; Guelle et al.,2001; Clarke et al., 2006; Martensson et al., 2003; Smith etal., 1993; Hoppel et al., 2002; Fairall and Davidson, 1983;Reid et al., 2001; Vignati et al., 2001]。对海盐通量的估值基于这些数量级不同的机制。[安德烈亚斯，1998]粒径小于10mm的海盐的这种不确定性已经有所减小[Lewis and Schwartz, 2004]

区域

区域代码

纬度

经度

地中海

MED

30°–50°N

-10°W–40°E

阿拉伯海

ARB

-10°S-30°N

35°–85°N

大西洋

ATL

25°–70°N

-80°W–20°E

表1 选择对海盐进行模拟的区域

[6]海盐气溶胶的直接辐射强迫在大气辐射收支中起着重要作用，是洁净的海洋边界层能见度降低的主要因素[Sievering等人，2004]。另外，海盐通过作为云凝结核（CCN）来影响海洋性积云的微物理性质（气溶胶的间接气候效应[Orsquo;Dowd等，1999]]），海洋性积云中5％-90％的云凝结核是海盐[Clarke等，2006]。海盐气溶胶是海洋上空全球平均晴空辐射平衡的主要贡献者[Haywood et al., 1999; Podgorny et al., 2000;Ramanathan et al., 2001; Satheesh and Lubin, 2003]. [Winter and Chylek, 1997]一文中对海盐辐射强迫的详细估算表明，在低风速下，海盐的辐射强迫为-0.6—-2 w/m2，而在高风速下,海盐的辐射强迫高达-1.5—-4 w/m2，有时在部分区域甚至超过-8了w/m2 [Vinoj and Satheesh, 2004]。因此，海盐气溶胶有对气候产生实质性影响的潜力，特别是在区域范围内。

[7]在这项研究中，我们发展了海盐的来源，输送和清除方案，并在区域气候模型（REGCM由国际理论物理中心或ICTP开发）中实现它，并将其应用于海盐的辐射强迫对区域气候的影响的研究中。除了气溶胶的形成，输送和微物理过程，我们的模型还包括海盐的辐射特性，因此，我们能够计算出海盐的辐射强迫。

[8]为了测试我们的模式，我们模拟了表1中的三个地区的海盐气溶胶：北大西洋（ATL），阿拉伯海（ARB）和地中海（MED）。大西洋地区和阿拉伯海地区已被证明是高海盐产区[Vinoj and Satheesh, 2004; Foltescu et al.,2005; Gong et al., 1997a, 1997b]，而地中海地区已被认为对气候变化特别敏感[Giorgi, 2006]。我们对模式进行了产出、沉降成分及其辐射成分的测试，虽然我们不追查相关的气候反馈，这个问题留着以后去研究。据了解，这是首次尝试发表包含有具备辐射特性的海盐的区域气候模式的文献。

[9]在第2节我们描述了模型，并比较了不同的起盐机制，而在第3节，我们讨论了对三个区域的模拟结果。特别地，我们分析了地表通量，近地表浓度，干湿沉降过程和气溶胶辐射强迫。对未来工作的综合考虑和看法，将在第4节中进行介绍。

2.模式说明

[10]这里所用的区域气候模式是第三代REGCM。该模式是以Giorgi等人[1993a，1993b]的模式为基础并根据帕尔等人[2007]的描述升级而来的。多年来该模型被用于多种应用中[例如，Giorgi and Mearns, 1999; Giorgi, 2006]。这项研究让人特别感兴趣的是事实上REGCM中已经包含有3种气溶胶的介绍及其相关的辐射效应，即硫酸盐气溶胶 [Qian and Giorgi, 2000; Giorgi etal., 2002, 2003]，黑碳气溶胶 [Solmon et al.,2005] 沙尘气溶胶[Zakey et al.，2006]。用于这些气溶胶基本示踪剂传输方程同样适用于海盐气溶胶，下一节将介绍该方程。

2.1 海盐模型

2.1.1. 海盐气溶胶的排放和动力

[11]海盐方案包括以下过程：（1）海风起盐，（2）风的水平输送，（3）湍流和对流的垂直输送，（4）干沉降和重力沉降，（5）大尺度对流降水的湿清除。海盐气溶胶的相互碰撞以及海盐气溶胶和云的相互作用目前还没有在模型中说明，计划在未来的工作中实现他们。

[12]海盐气溶胶的大小被划分成多个尺度范围，并且逐渐递进的每个尺度中的“i”由一个预报方程来表示，它本质上是相应尺度范围内的平均质量连续方程。预报方程的建立是为了求得颗粒的干半径，并且它是由公式

计算得出的。

其中，Ci代表用于第i个尺度范围的海盐质量混合比，在r.h.s.第一项给出公式（1）表示的水平平流和垂直对流，F（H，V），i是水平方向和垂直方向的湍流输送项，Si是辐射项，和，描述的是大尺度和次网格尺度的云清除过程，是干沉降项（包括重力沉降）。注意，垂直湍流扩散项包括由边界层湍流和深对流输送[Solomon等人，2006]。这个术语对海盐方程（1）来说并不特别，曾广泛的出现在以往文献中。[例如，Qian and Giorgi, 2000; Qian et al., 2001; Solmon et al., 2005]。

[13]海盐方程中最重要的一项是表面发射率。海盐气溶胶通过两种机制产生，直接机制和间接机制，如图1，间接机制包括广阔的海洋表面受到风应力而形成膜滴和射滴。当气泡上升到海面破裂形成白沫，即所谓白浪，这些气泡在水面破裂会产生小液滴。气泡膜可以分隔气泡中的空气，这种液体薄膜破裂后将形成膜滴。气泡破裂后残余的表面能会产生一个喷射水柱，喷射水柱在空中很快变得不稳定而破碎，形成大量射滴。[Smith et al，1993] .直接机制[Monahan et al，1986]跟裂滴的形成相关联。当风速大于10-12m/s时，强湍流将波峰处的水撕裂成小水滴，由这种机制产生的裂滴对海盐的产量的贡献越来越大，并对大粒径的海盐粒子的浓度起主导作用。如上所述，裂滴是最大的海水滴;裂滴的最小半径约为20mm，没有明确定义的最大半径[And re as，1998]。

图1.对海盐生产机制的描述

[14]根据定义超微米（亚微米）的气溶胶颗粒的直径大于(小于）1mm。在我们的研究模式中跨越的干半径范围为0.05-10.0mm的。这个尺寸的频谱分成两个区间，积聚模态（0.05-1.0mm）和粗模态（1.0-10.0mm）.预报方程可以用于这两个区间内的海盐粒子的计算，积聚模态和粗模态的海盐产量项被分别估为一个平均值。

[15]Monahan等人[1986]通过从室内实验得出的经验对海盐的产生过程给予说明。（以下称为MH86）。类似的生产机制，在以前的模式中也有应用 [Gong et al., 1997a;Gong, 2003; Pryor and Sorensen, 2000; Grini et al., 2002;Clarke et al., 2006; Pierce and Adams, 2006]. 莫纳汉式适用于在相对湿度（RH）为80％时半径小于0.8毫米的颗粒[Gong et al.,1997a, 1997b; Gong, 2003].

[16] MH86的计算公式在很大程度上考虑了膜滴的产盐效果，所用到的是半径为0.4-20mm的由观测和实验室得出的颗粒物的数据。由于缺少数据，半径小于0.4mm的粒子的通量曲线呈现出单调增加或单调减少的变化（参见图2）。奥多德等人[1997]的测量结果表明，亚微米海盐气溶胶的浓度在0.2mm附近出现峰值，粒径为0.05-0.2mm的海盐气溶胶的浓度随着粒径的减小而减小。此外，龚等人 [2002]的全球模式模拟显示，原始的MH86可以计算出上述湿半径为0.2mm的粒子的实际海盐质量浓度。在这些研究的基础上，在我们的模型中，我们提出对干半径小于0.1mm的海盐粒子的 MH86进行调整。调节因子是从对正常干尺寸分布的假设中作出的，这个数据是从Orsquo;Dowd 等人 [1997]观察

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