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LI-COR EC 應(yīng)用案例 | 【Atmos. Chem.

發(fā)布時間:2022/10/12 15:07:44      

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原文以 Ship-based estimates of momentum transfer coef?cient over sea ice and recommendations for its parameterization 為標(biāo)題發(fā)表在Atmos. Chem. Phys.上
作者: Piyush Srivastava等
翻譯:李蓉、劉曉迪、子毅

北極地區(qū)地表升溫速度是全球平均水平的兩倍以上,這被稱為北極放大效應(yīng)(Arctic Amplification)。如此迅速的變暖正在改變北極地區(qū)的自然景觀,顯著的是海冰范圍縮小、厚度變薄,冰齡變小,這將影響與之相關(guān)的許多生物地球化學(xué)過程。另外,這種變化也能通過改變天氣模式和海洋環(huán)流來影響低緯度地區(qū)。

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北極放大效應(yīng)Credit: Data from GISTEMPv4, chart by Zack Labe.

盡管氣候模型能再現(xiàn)北極放大效應(yīng),但這些模型在預(yù)測海冰的季節(jié)動態(tài)方面不太成功。對極地表面動量、熱量、水汽傳輸研究不足,是預(yù)測出現(xiàn)偏差的主要原因。

對解析模型變量和表面輸送系數(shù)參數(shù)化,是研究湍流交換的關(guān)鍵。由于缺乏在極地環(huán)境中的實測數(shù)據(jù),導(dǎo)致對動量(CD)、熱量(CH)和水汽(CE)輸送系數(shù)的參數(shù)化存在很大不確定性。

本研究中,研究者們著重關(guān)注動量輸送系數(shù) CD 的參數(shù)化。

大氣與海冰之間的動量交換直接影響大氣邊界層和海冰的動力學(xué)演化,其交換過程取決于地表的物理特性。隨著北極海冰的持續(xù)性減少和極地冰緣區(qū)(Marginal Ice Zone, MIZ)的擴大,這種交換過程的性質(zhì)會發(fā)生改變。因此,深化對極地表面物理過程的理解至關(guān)重要。

最近的研究表明,未來海冰厚度和范圍、以及極地演化模型都對海冰表面動量交換的參數(shù)化敏感。

大多數(shù)模型均使用簡化方法來參數(shù)化海冰上的輸送系數(shù),如為所有海冰的等效中性輸送系數(shù)規(guī)定一個恒定值,或規(guī)定兩個不同的值,分別對應(yīng)于極地冰緣區(qū)(Marginal Ice Zone, MIZ)、和海冰形態(tài)經(jīng)驗參數(shù)。之后,使用經(jīng)典的“馬賽克”或“通量平均”方法,在每個網(wǎng)格內(nèi)分別估算海冰和開闊水域的通量,并使用海冰和開放水域的分?jǐn)?shù)加權(quán),計算“有效”湍流通量。

對于假設(shè)海冰上CD10n (10m高度處的中性條件下的動量交換系數(shù))固定的模型,通量平均法導(dǎo)致整個 MIZ 的 CD10n 單調(diào)增加,而觀察結(jié)果并不支持這一點,海冰比例一般在50%–80%時,該值會達到峰值。

Andreas等人 (2010) 建議,應(yīng)根據(jù)海冰密集度的二次函數(shù)對 CD10n 進行基于經(jīng)驗的參數(shù)化。 基于理論推導(dǎo),Lüpkes 等人為 CD10n 開發(fā)了一種基于物理的分層參數(shù)化方法,其復(fù)雜性低,只需要將海冰覆蓋度作為自變量。

最近,Elvidge 等研究者使用飛機,在北極 MIZ 上空進行了測量,開發(fā)了一個包含有 195 個獨立估算的 CD10n 數(shù)據(jù)集(MIZ上空),這是之前觀測數(shù)據(jù)的兩倍多。然而,他們發(fā)現(xiàn),CD10ni(有100% 冰覆蓋的 CD10n)存在很大變異,這表明,CD10ni在很大程度上取決于海冰的物理形態(tài)。

由于海冰動量交換參數(shù)化的復(fù)雜性,需要研究極地實測的數(shù)據(jù)集。

為此,英國利茲大學(xué)等機構(gòu)的研究者們,使用2014年7月至10月Arctic Clouds in Summer Experiment實驗(ACSE)和2016年8月-9月the Arctic Ocean 2016 experiment實驗(AO2016)中的海冰表面動量交換實測數(shù)據(jù),估算了海冰表面的動量輸送系數(shù),并對其進行了參數(shù)化。

這些數(shù)據(jù)由安裝在Oden號破冰船桅桿頂部的LI-COR渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)采集,從夏末到初秋,涵蓋了多種地表、大氣穩(wěn)定性條件。

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Oden號破冰船和搭載在桅桿頂部的LI-COR渦度相關(guān)通量測量系統(tǒng)(圖中最左側(cè))
 圖源/Vüllers J等(2018)

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LI-COR渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng)

研究發(fā)現(xiàn),CD10n在海冰覆蓋度為0.6-0.8時,達到峰值,這與最近基于飛機的觀測結(jié)果一致。優(yōu)化后的參數(shù)化方程極大提高了與實測結(jié)果的吻合度,這將有助于氣候模型對北極地區(qū)海冰季節(jié)動態(tài)的預(yù)測和模擬。

Oden號破冰船桅桿頂部安裝了LI-COR渦度相關(guān)通量觀測系統(tǒng),距離水線20.3 m。在ACSE實驗(2014)中,該系統(tǒng)由LI-7500開路式CO2/H2O分析儀(LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA)、Metek USA-100三維超聲風(fēng)速儀(帶加熱功能)組成。在三維超聲風(fēng)速儀底部,安裝有Xsens MTi-700-G運動姿態(tài)測量系統(tǒng)。

根據(jù)Edson(1998年)和Prytherch等人(2015年)提出的方法,對20 Hz的原始湍流風(fēng)分量進行了平臺運動校正。之后,計算得到每30min的動量、熱量和水汽通量。


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原文中的主要數(shù)據(jù)圖

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