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 為標題發表在Atmos. 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，顯著的是海冰范圍縮小、厚度變薄，冰齡變小，這將影響與之相關的許多生物地球化學過程。另外，這種變化也能通過改變天氣模式和海洋環流來影響低緯度地區。

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態方面不太成功。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鍵。由于缺乏在極地環境中的實測數據，導致對動量（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，研究者們著重關注動量輸送系數 CD 的參數化。

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性減少和極地冰緣區（Marginal Ice Zone, MIZ）的擴大，這種交換過程的性質會發生改變。因此，深化對極地表面物理過程的理解至關重要。

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化敏感。

大多數模型均使用簡化方法來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恒定值，或規定兩個不同的值，分別對應于極地冰緣區（Marginal Ice Zone, MIZ）、和海冰形態經驗參數。之后，使用經典的“馬賽克”或“通量平均”方法，在每個網格內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量交換系數）固定的模型，通量平均法導致整個 MIZ 的 CD10n 單調增加，而觀察結果并不支持這一點，海冰比例一般在50%–80%時，該值會達到峰值。

Andreas等人 (2010) 建議，應根據海冰密集度的二次函數對 CD10n 進行基于經驗的參數化。 基于理論推導，Lüpkes 等人為 CD10n 開發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 上空進行了測量，開發了一個包含有 195 個獨立估算的 CD10n 數據集（MIZ上空），這是之前觀測數據的兩倍多。然而，他們發現，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。

由于海冰動量交換參數化的復雜性，需要研究極地實測的數據集。

為此，英國利茲大學等機構的研究者們，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據，估算了海冰表面的動量輸送系數，并對其進行了參數化。

這些數據由安裝在Oden號破冰船桅桿頂部的LI-COR渦度相關通量觀測系統采集，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渦度相關通量測量系統（圖中最左側）
 圖源/Vüllers J等（2018）

LI-COR渦度相關通量觀測系統

研究發現，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果一致。優化后的參數化方程極大提高了與實測結果的吻合度，這將有助于氣候模型對北極地區海冰季節動態的預測和模擬。

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

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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原文中的主要數據圖