LI-COR EC 應用案例 | 【Atmos. Chem.

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

北極地區地表升溫速度是全球平均水平的兩倍以上，這被稱(chēng)為北極放大效應（Arctic Amplification）。如此迅速的變暖正在改變北極地區的自然景觀(guān)，顯著(zhù)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(guò)程。另外，這種變化也能通過(guò)改變天氣模式和海洋環(huán)流來(lái)影響低緯度地區。

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

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

對解析模型變量和表面輸送系數參數化，是研究湍流交換的關(guān)鍵。由于缺乏在極地環(huán)境中的實(shí)測數據，導致對動(dòng)量（CD）、熱量（CH）和水汽（CE）輸送系數的參數化存在很大不確定性。

本研究中，研究者們著(zhù)重關(guān)注動(dòng)量輸送系數 CD 的參數化。

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

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

大多數模型均使用簡(jiǎn)化方法來(lái)參數化海冰上的輸送系數，如為所有海冰的等效中性輸送系數規定一個(gè)恒定值，或規定兩個(gè)不同的值，分別對應于極地冰緣區（Marginal Ice Zone, MIZ）、和海冰形態(tài)經(jīng)驗參數。之后，使用經(jīng)典的“馬賽克”或“通量平均”方法，在每個(gè)網(wǎng)格內分別估算海冰和開(kāi)闊水域的通量，并使用海冰和開(kāi)放水域的分數加權，計算“有效”湍流通量。

對于假設海冰上CD10n （10m高度處的中性條件下的動(dòng)量交換系數）固定的模型，通量平均法導致整個(gè) MIZ 的 CD10n 單調增加，而觀(guān)察結果并不支持這一點(diǎn)，海冰比例一般在50%–80%時(shí)，該值會(huì )達到峰值。

Andreas等人 (2010) 建議，應根據海冰密集度的二次函數對 CD10n 進(jìn)行基于經(jīng)驗的參數化。 基于理論推導，Lüpkes 等人為 CD10n 開(kāi)發(fā)了一種基于物理的分層參數化方法，其復雜性低，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(jìn)行了測量，開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含有 195 個(gè)獨立估算的 CD10n 數據集（MIZ上空），這是之前觀(guān)測數據的兩倍多。然而，他們發(fā)現，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(dòng)量交換參數化的復雜性，需要研究極地實(shí)測的數據集。

為此，英國利茲大學(xué)等機構的研究者們，使用2014年7月至10月Arctic Clouds in Summer Experiment實(shí)驗(ACSE)和2016年8月-9月the Arctic Ocean 2016 experiment實(shí)驗(AO2016)中的海冰表面動(dòng)量交換實(shí)測數據，估算了海冰表面的動(dòng)量輸送系數，并對其進(jìn)行了參數化。

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

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（圖中最左側）
 圖源/Vüllers J等（2018）

LI-COR渦度相關(guān)通量觀(guān)測系統

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

Oden號破冰船桅桿頂部安裝了LI-COR渦度相關(guān)通量觀(guān)測系統，距離水線(xiàn)20.3 m。在A(yíng)CSE實(shí)驗（2014）中，該系統由LI-7500開(kāi)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(dòng)姿態(tài)測量系統。

根據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(jìn)行了平臺運動(dòng)校正。之后，計算得到每30min的動(dòng)量、熱量和水汽通量。

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原文中的主要數據圖