大气气溶胶模式中一个尺寸分辨率的粒子干沉降机制外文翻译资料

 2022-12-06 15:48:40

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大气气溶胶模式中一个尺寸分辨率的粒子干沉降机制

摘要：一个粒子干沉降的参数化方案已经为了加拿大气溶胶模式而发展。这个参数化方案根据粒子的大小、粒子的密度和相关的气象变量计算而得到粒子干沉降速度，它包括了许多沉降过程，如湍流搬运、布朗扩散、碰撞、拦截、重力沉降和粒子反弹，它还考虑了粒子在潮湿下的增长。敏感性检验显示，参数化的沉降速度和最近的实地观测相当，次微米级的粒子尤其相似。这个参数化方案已经用了两个从实地观测发展而来的经验体积阻力模式来评估，现在的参数化方案已经和北美东部的加拿大区域气候模式提供的气象输入一起添加进加拿大气溶胶模式（CAM）。模式算出来的干沉降速度，经过与大量的最近文献报道出来的观测对比后，发现目前的参数化方案计算出的结果是合理的。比较于更早时间的依赖于尺寸的粒子干沉降模型，现在的参数化方案主要改进体现在次微米级粒子的更真实沉降速度，并且和最近公布的实地观测更接近。

  1. 引言

加拿大气溶胶模式（CAM）的关键过程包括粒子源头、运输和去除机制，粒子的去除机制里有一个是粒子的干沉降，这是一个依赖于气溶胶的物理化学性质、下垫面特征和微气象条件的复杂过程。对于粒子干沉降的认识远没有结束，因为沉降复杂地依赖于粒子大小、粒子密度、地形、植被、气象条件和化学物质。大量的干沉降参数化方案已经使用与大区域的运输模式，Ruijgrok (1995) 回顾总结了参数化方案，有一些模型通过计算粒子大小来得到粒子干沉降速度(Bache, 1979; Davidson et al., 1982; Giorgi, 1988; Haynie, 1986; Ibrahim et al., 1983; Leggand Price, 1980; Peters and Eiden, 1992; Schack et al., 1985; Schmel and Hodgson, 1980; Slinn, 1982; Slinn andSlinn, 1980; Wiman and Agren, 1985)。一些依赖于尺寸的干沉降模型仅仅适用于一种表面(Davidson et al., 1982; Peters and Eiden, 1992; Wiman and Agren, 1985; Slinn and Slinn, 1980)，其他的适用于任何表面(Giorgi, 1988; Haynie, 1986; Schmel and Hodgson, 1980)。许多依赖于尺寸的模型通过风洞观测来评估，然而这却不能代表实地测量结果，来自于部分模型的比较揭示了他们之间差别很大(Ruijgrok et al., 1995)，最大的不确定在于0.1-1.0um的粒子区间，这个区间的沉降速度可以相差2-3个量级。这些模型的理论性研究发现直径在0.1-1.0um的粒子沉降速度应该小于等于0.01cm/s，而且这个数值似乎仅仅和实验室（风洞）研究结果相近(Nicholson, 1988)。许多实地研究中选用在这个尺度区间具有代表性的踪迹种类，在这些研究中得到了更大的沉降速度。硫酸盐气溶胶由于它的独特天性和化学表现的保守性，而被广泛的当作方便的标记物。最近对硫酸盐和其他次微米级粒子的观测发现干沉降速度比之前的研究高出1-2个数量级(Allen et al., 1991; Everett et al., 1979; Gallagheret al., 1997; Hicks et al., 1982, 1989; Lamaud et al., 1994; Sievering, 1982, 1983, 1987; Wesely et al., 1983, 1985; Wyers and Duyzer, 1997; Wyers and Veltkamp, 1997)。Nicholson (1988)的综述展示了一些作者尝试通过引用气象因子和抽样误差来解释部分更高的数值，但是，Gallagher et al. (1997)声称最近观测到的更大的沉降速度数值（典型的是1cm/s或者更大的速度）对于那些沉降到森林的次微米级粒子来说，不管使用了什么技术，在粒子的尺寸谱上都是一致的。Gallagher et al. (1997)说之前的模型研究明显地低估了干沉降速度，尤其是对于那些经过粗糙植被表面的次微米级粒子。

在本研究中，一个简单的粒子干沉降参数化方案为了加拿大气溶胶模式（CAM）而进一步发展。发展的原因一是早期的模型比较于最近的观测很大的低估了次微米级粒子的沉降速度，而这部分是加拿大气溶胶模式的最重要内容。另一个原因是其他的模型比原应用于CAM的模型能适用于不同的土地类型。现在的参数化方案把在不同下垫面表面和气象条件下的粒子的大小和密度作为函数，估算出粒子的干沉降速度。由于没有数据和依赖于尺寸的模型来评估这个参数化方案，一个发表了的综述文献的测量结果和两个体积阻力模型(Wesely et al., 1985; Ruijgrok et al. (1997))被用于评估这个参数化方案。在这里，由于上面讨论到的理由，仅仅那些通过自然表面的细小粒子的测量结果被使用。Wesely et al. (1985)的模型是从硫酸盐沉降观测结果中推导出来的，这些粒子的质量平均直径是典型的0.35-0.4um（尽管没有尺寸的区别）。这个参数化方案做出来的硫酸盐沉降速度在量级上比早些的理论研究数值要大，但仍然比一些观测数值(e.g. Gallagher et al., 1997)和Ruijgrok et al. (1997)硫酸的参数化方案结果小。Ruijgrok et al. (1997)的参数化方案是由经过针叶森林的观测结果推导出来的，这个模型可以模拟NH4、 SO4、 NO3 和Na 的沉降速度。Ruijgrok et al. (1997)提供了质量平均直径和几何标准方差，这个有助于我们评估目前的参数化方案，在这里仅仅Na 的参数化被用于评价目前参数化方案针对大粒子尺度的部分。

  1. 模型的理论

本研究中粒子的干沉降参数化建立在Slinn (1982)的模型基础上，他的模型针对植被冠层，模型包括了布朗扩散、碰撞、拦截、重力沉降和粒子反弹这些沉降过程，粒子在潮湿下的增长被讨论了，但是没有包含进模型，这个模型需要具体的冠层信息，而这些信息在区域性尺度上的运输模型中大部分是缺失的。在本研究中，和Slinn的模型一样的方法被运用去模拟粒子的干沉降，但是对于所有的沉降过程用简化的、经验化的参数方案，粒子在高湿度下的增长也被考虑了。

模仿Slinn的模型，干沉降速度Vd可以表示为

(1)

这里的Vg是重力沉降速度，Ra是冠层上的动力学阻力，Rs是地表阻力。

重力沉降速度可以这样计算：

(2)

这里的rho;是粒子的密度，dp是粒子直径，g是重力加速度，C是小粒子的修正因子，eta;是空气粘度系数。

修正因子可以这样计算：

(3)

这里的lambda;是空气分子的平均自由程，并且可以通过温度、气压和空气的动力学粘度计算得到。

动力学阻力Ra这样计算：

(4)

这里的zR是干沉降速度Vd被计算的高度，z0是粗糙长度，Psi;H是稳定性函数，k是冯卡曼常数，u*是摩擦速度。Rs依赖于表面的收集系数，决定于各种沉降过程、沉降粒子的尺寸、大气情况和表面属性。在这里Rs参数化为：

(5)

这里的EB、EIM、EIN分别是布朗扩散、碰撞和拦截的收集效率，R1是修订因子，表示黏到表面的粒子比例，ε0是一个经验常数，在这里对于所有的土地类型都取值3。

对于布朗扩散，有证据表明EB是史密斯数Sc的函数：

(6)

史密斯数是空力动力学粘度v与粒子布朗扩散D的比值（Sc=v/D）。lambda;一般取值在1/2和2/3之间，对于越粗糙的表面取值越大。例如，Slinn and Slinn (1980)建议1/2是水面，Slinn (1982)建议2/3是植被表面。在本研究中，式(6)在计算布朗扩散收集效率时，lambda;取值随土地使用类型而改变。

碰撞过程的参数值取决于斯托克斯数St，对于植被表面St=Vgu*/gA，对于光滑表面或者摩擦性较差的表面St=Vgu*2/v。A是收集核的特征半径。

Slinn (1982)对光滑表面使用一个半经验化拟合计算碰撞收集效率EIM：

(7a)

Slinn (1982)后来建议对植被冠层用另一个形式来计算EIM：

(7b)

Peters and Eiden (1992)使用下面的形式计算云杉森林的碰撞系数：

(7c)

这里的а和beta;是常数，а是0.8，beta;是2，Peters and Eiden (1992)对于Belot and Gauthier (1976)收集的数据得到了最好的拟合结果。

Giorgi (1986)为碰撞系数建议了两个公式，一个是对于平滑表面和摩擦较差的表面：

(7d)

另一个是对于植被表面：

(7e)

这个形式和Peters and Eiden (1992)使用的一致，但是使用不一样的常数а和beta;。

Davidson et al. (1982)对于草地使用下面的这个形式：

(7f)

本研究使用式(7c)，а随土地使用类型而改变，beta;被选为2。

当粒子经过比它物理维度小的障碍物，拦截收集效率就出现了，这个效率对于经过毛茸茸叶子的大粒子很重要。Fuchs (1964)针对经过一个球体和圆柱体的潜在粘性气流，建议了各种形式的EIN，所有的形式都是粒子的直径和收集核的特征半径的函数。Slinn (1982)为小的和大的收集核的EIN进行了参数化，Giorgi (1988)使用了和Slinn (1982)一样的方法。得到小的和大的收集核比例的数据是很困难的，因此，使用下面的简单形式来计算拦截的收集效率：

(8)

式(8)中的特征半径A取决于不同的土地使用类型和季节类型。

大于2um的粒子在撞击表面后也许会反弹，这个过程通过R1因子来修订总的收集效率，这个因子代表了粒子黏着在表面的比例，呈现在式(5)中。Slinn (1982)为R1建议了下面的形式：

(9)

Giorgi (1988)也采用了这个形式。粒子的反弹知识的缺少让我们很难评估这个形式的准确率，因此，被研究也使用了这个公式，并假设在潮湿表面不存在粒子的反弹。

在十分潮湿的环境里粒子会增长，这个通过用潮湿下的半径代替干燥的半径来体现，潮湿的半径rw由海盐和硫酸气溶胶的干燥半径rd和相对湿度RH来计算：

(10)

这里的C1、C2、C3、C4是经验常数，具体数值见表1。CAM (Gong et al., 2000)的粒子增长是通过混合的气溶胶计算，而不是单个的物质种类。

粒子的干沉降速度可以通过式(1)-(6),(7c),(8)-(10)来计算得到。

  1. 土地使用类型，季节种类和参数

最高分辨率的土地使用类型（LUC）数据是1km的USGS(美国地理调查)全球土地覆盖类型数据，这个数据已经为了不同目的而分进几个小组，在这采用的是生物圈大气圈转换机制(BATS; Dickinson, 1986)，我们重新编排BATS原始的20中LUCs为14LUCs，并且为CAM的干沉降模式添加了第十五种类型“城市”，对于第13种LUC的“内陆水”和第14种“海洋”是一样的对待，把这两者区别开不是考虑到干沉降，而是针对处于其他目的，比如海盐排放。CAM对于所有的LUC的Vd的计算实在一个格点内部的，然后根据每个LUC的面积比例来取平均数值。

由于一些参量随

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