CS计算机代考程序代写 database 降雨对海-气界面CO2交换的影响研究
降雨对海-气界面CO2交换的影响研究
思路：利用文献翻译中的公式（3）计算海-气界面间的CO2交换通量。其中k是大气和海洋间的气体交换系数;代表某温盐条件下CO2的溶解度。
目前关于海一气间气体交换系数的计算模式较多，
Liss等根据风浪槽和实验数据提出了一种气体交换速率与风速的线性分段参数化方案。该方案根据海面以上10米处风速的大小将海面状况分为三个阶段：每一个阶段对应一个不同的函数关系式，其具体表达式为：
其中，表示 CO2在20°C淡水Sc=600时的气体交换速率，单位为cm/h；风速的 单位为m/s，该参数化方案简称为LM。
Wanninkhof等根据风浪槽实验结果进行数据拟合，得到了气体交换速率与风速的平方成正比的函数关系。Wanninkhof利用全球天然和核爆炸数据和红海核爆炸数据确定了系数，即
该参数化方案简称为WA。
Nightingale等在北海南部沿岸海域进行双气体示踪实验，实验数据显示，气体交换速率与风速有十分明显的相关关系。利用观测数据进行拟合，得到了气体交换速率和风速的函数关系式：
该参数化方案简称为NI。
McGills等在北大西洋使用涡相关法测量海-气界面CO2通量，然后利用块体参数化公式计算出了气体交换速率，结果发现中低风速下涡相关法的测量结果较好，但是风速大于12m/s时，涡相关法的测量结果较大。根据观测数据并考虑波浪破碎对气体交换速率的影响，他们提出了气体交换速率与风速的立方成比例的函数关系式：
该参数化方案简称为MC。
还包括其中Wanninkhof (1992)提出的模式比较合理,应用比较广泛，公式如下：
对于长期平均风：
对于瞬时风：
(Relationship between gas exchange and wind speed over the ocean)Wanninkhof (1992)
【对于上述不同的风速公式进行比较，择优选取一个使用】
代表在海水温度为t（°C）时的施密特数
的计算公式如下（Carbon dioxide in water and seawater : the solubility of a non ideal gas）（Weiss,1974）：
式中T为热力学温度，单位K。T(K)=t(°C)+273.15
当的单位是Mole/*atm时。常数、、、、、的取值分别是：
-58.0931
90.5069
22.2940
0.027766
-0.025888
0.0050578
当的单位是Mole/kg*atm时。常数、、、、、的取值分别是：
-60.2409
93.4517
23.3585
0.023517
-0.023656
0.0047036
1.计算海-气界面CO2交换通量（不考虑降雨的影响）
A．用遥感手段获得大气中的CO2偏压（浓度）:,目前有主要的两种探测仪器（刘毅，2011）
1. 星载被动探测仪器
包括大气红外垂直探测仪（AIRS）(http://airs.jpl.nasa.gov)
大气制图扫描仪成像吸收光谱仪(SCIAMACHY) http://sciamachy.org/products/index.php?species=CO2
超高光谱红外大气探测干涉仪(IASI)等。
2. 星载主动激光雷达探测器
包括主要包括ASCENDS（http://www-air.larc.nasa.gov/data.htm）和A-SCOPE等卫星。
除了遥感手段以外，还可以使用NCEP CFSR模型中的模拟气压（P）和干燥空气中CO2的摩尔分数（XCO2A）计算大气pCO2A（其中的年份根据参考年份而变化）
pCO2A（单位：μatm）的计算方法是：将1.5μatm yr-1的全球平均增长包括在内(Takahashi等的参考年为2000年，估计全球pCO2w增加了1.5μatm yr -1):
(5)
其中y为年，P为日平均气压(μatm)， XCO2A为干燥大气中CO2的纬向平均摩尔分数(ppm)，pH2O是饱和蒸气压（单位：μatm）[27]：
(6)
其中，盐度S是实际盐度标度和空气温度，SSTK是以开尔文表示的亚表层海表面温度(直接使用SST即可，注意单位是K)。
对于水中的二氧化碳分压(pCO2W)，如何选定参考年。首先，Takahashi等（Climatological mean and decadal change in surface ocean pCO2, and net sea–air CO2 flux over the global oceans.Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography）[13]的参考年为2000年，估计全球pCO2w增加了1.5μatm yr -1 (等式 5)。离这个参考年越远，估计的CO2气候时间校正就越不可靠。因此，使用Takahashi的研究仅限于1999-2006年。选定的研究年份是1990-2020，数据都可以使用，只不过离参考年份越远，准确率越低。我们可以选取不同的数据集进行比较，最终结果的优劣。
XCO2A可以从美国海洋与大气局（NOAA）气候监测与诊断实验室（CMDL）的碳循环温室气体组的瓶式采样项目获得。（ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_mm_gl.txt）
海表面大气压P可以从美国国家环境预测中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NVAR）的再分析月平均数据(https://www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html)
美国二氧化碳信息分析中心提供大气pCO2A数据(http://ncei.noaa.gov/access/ocean-carbon-data-system/oceans/LDEO_Underway_Database/)
【pCO2A可以直接下载，可以用公式计算，择优选取一个就可以】
B．用遥感手段获得海表面的CO2偏压（浓度）: :
美国地球静止环境卫星（GEOS），表层海洋二氧化碳图集(SOCAT)( http://socat.info/index.php/data-access/)，Lamont-Doherty地球观测实验室（http://ldeo.columbia.edu/core-repository/samples-services#data）
C.U10数据
欧洲航天局(ESA) GlobWave的U10 (m s-1)卫星观测数据、ERS-2散射计数据（看于老师的）、QuikSCAT 卫星风速计(http://remss.com/missions/qscat/)数据注释：（http://dsac.cn/Solution/Detail/23334）
风场数据（http://www.remss.com/measurements/wind/） 可以查找U10
海平面10 m 高度风场数据(空间分辨率为25 km,时间分辨率为1 d)从搭载在欧洲MetOp 卫星上的ASCAT 传感器中获取(http://manati.star.nesdis.noaa.gov/)（这个比较全）
周平均海平面10 m 高度风场数据和风应力数据从Ifremer（ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/gridded/） 获得，空间分辨率为0.25°×0.25°
海面风场采用Advanced Scatterometer （ASCAT） 海面风场数据（ ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/gridded/mwf-ascat/data/daily/Netcdf/2015/），该产品的空间分辨率为0.25° ×0.25° ，时间分辨率为1 d（1天）。
海表面10ｍ 处的风速数据和海表气压数据来自欧洲 中 期 天 气 预 报 中 心，数据集为 ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ（Ｊａｎ １９７９ｔｏ ｐｒｅｓｅｎｔ），下 载 网 址：
http://apps.ecmwf.int/datasets/时间分辨率为６ｈ，空间分辨率为０．２５°×０．２５°．
海表面风场数据（http://www.remss.com/）来自于美国遥感系统实验室，由搭载在欧洲气象卫星上的 QuikScat 高级散射计观测，本文所用数据为气候态月平均和每天平均风场数据，空间分辨率为０．２５°×０．２５°，QuikScat 单日可覆盖全球 93%的海面。
D．海表盐度数据S
美国国家海洋数据中心(NODC)1994年的世界海洋地图集数据(https://www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.nodc.woa94.html)
美国遥感系统实验室（http://www.remss.com/missions/smap/salinity/）
E.海表温度数据SST
美国国家预报中心的气候模拟部门的美国海洋与大气局的最优差值月平均海表温度数据(https://www.psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html)
英国气象局（UKMO）多观测融合的高分辨率数据(http://data.nodc.noaa.gov/ghrsst/L4/GLOB/UKMO/OSTIA/2015/) ， 该产品的空间分辨率为0.125°×0.125° ，时间分辨率为1 天
注释：NOAA物理实验室，各种SST,盐度，降雨等数据择优选取（http://psl.noaa.gov/data/gridded/）
2.计算海-气界面CO2交换通量（考虑降雨的影响）
降雨数据Rn
全球降水气候学项目(GPCP)http://eagle1.umd.edu/GPCP_ICDR/GPCP_Monthly.html
美国遥感系统实验室（http://www.remss.com/measurements/rain-rate/）
仅由湿沉降引起的海-气界面气体交换通量使用[11]估算:
(7)
式中，Rn是降雨率（单位：mm h-1），是CO2在淡水中的溶解度。
初步的室内实验得出降雨过程中气体输送速度随Rn的变化呈线性增加：
(8)
其中， (9)
参数化气体输送速度的风速，根据[13]中的方法估计，
= 0.26(U10)2 (Sc/660)-1/2，
其中Sc代表所讨论气体的施密特数。
的单位是, 的单位是
降雨是以非线性方式影响气体输送速度的[5]。因此，本文中所使用的由风和雨引起的总气体输送速度（）定义为：
(10)
式中的项表示降雨率使气体输送速度增强，与风速呈非线性关系。和上式相同。由文献（Nonlinear interaction between rain- and wind-induced air-water gas exchange）可得
(11)
= 0.3677，= KEFr / KEFw，其中KEFr为降雨带来的动能通量，KEFw为地面风带给水体的动能通量。哈里森等[5]假设Parsons雨滴大小分布定律得出简化关系，KEFr=0.0112Rn,(Rn单位：)并定义KEFw =u * 3,其中是空气的密度(kg m-3), 定义为=P/（R SSTk），其中P是空气压力（单位：Pa），R是干燥空气的比气体常数（单位：J kg-1 K-1），数值为287。SSTK是以开尔文表示的表层海表面温度。摩擦速度u*（m s-1）由u*2=CD U102给出，其中CD为Yelland和Taylor[29]（Wind Stress Measurements from the Open Ocean. Journal of Physical Oceanography）定义的阻力系数。
在较低的风速下，数据由关系式拟合：
式中，U10是10米风速（m s−1）。在较高风速下，等式变为：
我们使用来计算参考通量Fref，其中不包括降雨的贡献:
(11)
则风、雨、海-气界面的CO2通量由下式给出:
(12)
那么，包括上述降雨影响的海-气总通量FT就是气体输送和湿沉降分量的总和:
(13)
降雨影响的贡献随后被计算为降雨影响通量值FT与Fref之间的差值。(实际上应该是相加，因为都是净汇)（=FT+Fref）
计算在二氧化碳气候参考年(2000年)中，不考虑降雨影响的情况下，全球海洋-空气二氧化碳年通量值Fref，并计算所有年份的、、作比较。并将风、雨之间的线性结合与非线性结合计算出来的通量进行比较，观察在这两种情况下海洋是净汇还是净源。
（注意图注的单位应该是Pg C yr-1，需要换算）计算年平均参考通量Fref、、Fk-rain （非线性）+Fref、Fk-rain （线性）+Fref并绘图。
一般来说，FDIC（湿沉降）主导着降雨对海-气界面CO2通量（）的综合影响，增加了海洋CO2的汇。FDIC与（）之间非常接近。这里的应该等于(因为大家都是负值)
可以分析区域性(各个大洋)的变化，也可以按照全球月平均分析季节变化。
同时如果不考虑某一项，海洋将会被误认为是净CO2源。
可以仿照画一张（选定参考年份后），里面包含的参数有：FDIC、Fk-rain、
这里老师还想要我重点研究一下界面间气体交换速率（k600）与降雨，风速之间的关系，由前文可知，两者之间，要么是线性关系，要么是非线性关系。即公式（8）、（10）。
后续想要画这样一张图，去研究分别当风速，降雨为定量时，剩余一个变量与k（600）之间联系起来画图。
图7.a） 在相同风速下，k（600）随降雨率的增加而线性增加；b）但在相同降雨率下， k（600）随风速的增加呈非线性增加。
收集了不同实验室的降雨、风速数据，计算出k（600）后，可以画在一张图中进行比较。是想要将不同的实验数据都可以根据线性公式和非线性公式画出图a和b，并且线性的都画在图a，非线性的也都画在图b。
注释：风速和降雨率的范围区间选取应该遵循每一个范围内的实验数据个数相同。
上面这张图的实验数据如下。
可以再画一遍，用不同的标记。
还收集了其他的室内试验数据。
上面两张实验数据没有考虑风速，这两张可以单独画在一起。计算这个只考虑降雨的就可以，也就是图a的样子。我们可以把实验的散点图和公式计算出来的画在一起进行比较误差。（这个就不需要分区间）
这两张图片是一个实验。
这两张图都有风速和降雨，就需要分区间画出图a,b的样子。
