【GEOS-Chem模拟教程第一期上】气溶胶专用/碳气体/全化学模拟
目录
- Aerosol-only simulation（气溶胶专用模拟）
- 模拟中包含的物种（Species）
- Carbon gases simulation（碳气体模拟）
- 模拟包含的物种（Species）
- Fullchem simulation（全化学模拟）
- Standard 模拟中的物种（Species）
- 其他模拟选项扩展
- 参考
Aerosol-only simulation（气溶胶专用模拟）
Aerosol-only simulation（气溶胶专用模拟）是一种 离线模拟（offline simulation），专注于模拟大气中的 气溶胶示踪物（aerosol tracers），而不包含完整的气相化学过程。
“Aerosol-only simulation”（仅气溶胶模拟） 页面 ，详细介绍了 GEOS-Chem 中 仅气溶胶模拟模式 的功能和特点。
✅ 特点总结：
1、离线模拟：不会动态计算氧化剂浓度，而是使用先前完全化学模拟（full-chem simulation）中存档的平均值。
2、使用的化学背景数据：
- OH（羟基）：来自最近的 10 年基准模拟（benchmark simulation）。
- NO₃（硝酸根）、O₃（臭氧）和总硝酸盐（HNO₃ + NIT）：也来自同一基准模拟。
- H₂O₂（过氧化氢）：使用存档的生成速率和光解速率。
3、不支持 “tagged” 模拟：不提供气溶胶源解析功能（如标记具体来源）。
4、相较于完整化学模拟，示踪物数量更少，计算效率更高。
📌 注意： 此模式当前仅适用于 GEOS-Chem Classic，GCHP 版本尚无现成的 aerosol-only 运行目录，有需要的用户需自行配置。
模拟中包含的物种（Species）
下面列出的是气溶胶模拟中使用的 被输运的物种（transported species），即在大气中随风输送的示踪物。
🌫️ 黑碳（Black Carbon）
| 物种 | 描述 | 分子式 | 分子量 |
|---|---|---|---|
| BCPI | 亲水性黑碳气溶胶 | C | 12.01 |
| BCPO | 疏水性黑碳气溶胶 | C | 12.01 |
🧪 有机碳（Organic Carbon）
| 物种 | 描述 | 分子量 |
|---|---|---|
| OCPI | 亲水性有机碳气溶胶 | 12.01 |
| OCPO | 疏水性有机碳气溶胶 | 12.01 |
💨 硫与硫酸盐物种
| 物种 | 描述 | 分子式 | 分子量 |
|---|---|---|---|
| DMS | 二甲硫（Dimethyl sulfide） | (CH₃)₂S | 62.13 |
| MSA | 甲磺酸 | CH₄SO₃ | 96.1 |
| SO₂ | 二氧化硫 | SO₂ | 64.04 |
| SO₄ | 硫酸盐 | SO₄ | 96.06 |
| SO₄s | 存在于海盐气溶胶表面的硫酸盐 | - | 31.4 |
🌬️ 海盐（Sea Salt）
| 物种 | 描述 | 分子量 |
|---|---|---|
| SALA | 微细模式海盐气溶胶（0.01–0.05 μm） | 31.4 |
| SALAAL | 微细海盐碱度 | 31.4 |
| SALACL | 微细海盐中的氯离子 | 35.45 |
| SALC | 粗模式海盐气溶胶（0.5–8 μm） | 31.4 |
| SALCAL | 粗模式海盐碱度 | 31.4 |
| SALCCL | 粗模式海盐中的氯离子 | 35.45 |
🏜️ 沙尘（Dust）
| 物种 | 描述 | 粒径 | 分子量 |
|---|---|---|---|
| DST1 | 有效半径 0.7 μm 的沙尘气溶胶 | 0.7 μm | 29.0 |
| DST2 | 有效半径 1.4 μm 的沙尘气溶胶 | 1.4 μm | 29.0 |
| DST3 | 有效半径 2.4 μm 的沙尘气溶胶 | 2.4 μm | 29.0 |
| DST4 | 有效半径 4.5 μm 的沙尘气溶胶 | 4.5 μm | 29.0 |
🧪 氮类物种
| 物种 | 描述 | 分子量 |
|---|---|---|
| NH₃ | 氨 | 17.04 |
| NH₄ | 铵离子 | 18.05 |
| NIT | 无机硝酸盐（气相和气溶胶相） | 62.01 |
| NITs | 存在于海盐气溶胶表面的无机硝酸盐 | 31.4 |
🧲 其他物种
| 物种 | 描述 | 分子量 |
|---|---|---|
| H₂O₂ | 过氧化氢 | 34.02 |
| pFe | 人为来源铁颗粒（anthropogenic iron） | 55.85 |
| SOAP | 二次有机气溶胶前体（简化参数化） | 150.0 |
| SOAS | 简化的非挥发性二次有机气溶胶参数化物种 | 150.0 |
总结
Aerosol-only simulation 适用于想要研究大气中气溶胶输运、转化与沉降过程的用户，尤其在以下场景中具有优势：
- 减少计算量，提升模拟效率；
- 专注于气溶胶而非完整气相化学；
- 可用于灵敏度分析、气候模型输入准备等。
不过，它的简化特性也意味着：
- 不包括实时化学反应；
- 不支持 tagged 分析；
- 需要依赖先前的完整化学模拟数据。
Carbon gases simulation（碳气体模拟）
Carbon gases simulation 网页专门介绍了 碳气体模拟（Carbon gases simulation） 的相关内容。以下是该网页内容的详细解释。
碳气体模拟 是一个将甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）三个碳类气体的化学反应过程整合在一起的模拟。这一模拟结合了原先独立的 CH₄、CO₂ 和 Tagged CO 模拟。
用户可以选择：
- 同时模拟所有的碳类气体；
- 或仅模拟其中任意一种。
⚠️ 注意：该模拟预计将在未来的 GEOS-Chem 14.7.0 版本中，取代原先的独立 CH₄、CO₂ 和 tagged CO 模拟。
该模拟的科学基础可参考以下文献：
Bukosa, B., Fisher, J., Deutscher, N., and Jones, D. Coupled CH₄, CO and CO₂ Simulation for Improved Chemical Source Modelling. Atmosphere, 14:764, 2023. DOI: 10.3390/atmos14050764
模拟包含的物种（Species）
✅ 被输运的物种（Transported species）
| 物种 | 描述 | 分子式 | 分子量 (g/mol) |
|---|---|---|---|
| CH₄ | 甲烷 Methane | CH₄ | 16.04 |
| CO | 一氧化碳 Carbon monoxide | CO | 28.01 |
| CO₂ | 二氧化碳 Carbon dioxide | CO₂ | 44.01 |
| OCS | 碳酰硫（又称 COS）Carbonyl sulfate | OCS | 60.07 |
❌ 未被输运的物种（Non-transported species）
这些物种不在大气中输运，而是在化学机制中被使用或生成：
| 物种 | 描述 | 分子式 | 分子量 (g/mol) |
|---|---|---|---|
| COfromCH4 | 由甲烷氧化产生的 CO（碳机制的一部分） | CO | 28.01 |
| COfromNMVOC | 由非甲烷挥发性有机物（NMVOC）氧化生成的 CO（碳机制的一部分） | CO | 28.01 |
| CO2fromOH | 由 OH 氧化产生的二氧化碳（碳机制） | CO₂ | 44.01 |
| Dummy | 占位符物种（碳机制中占位使用） | 未列出 | 1.0 |
| FixedOH | 氢氧自由基（OH），作为外部输入用于碳机制 | OH | 17.01 |
| FixedCl | 原子氯（Cl），作为外部输入用于碳机制 | Cl | 35.45 |
| DummyCH4 | 甲烷，作为外部输入用于碳机制 | CH₄ | 16.04 |
| DummyNMVOC | 由 NMVOC 氧化生成的 CO，作为外部输入用于碳机制 | CO | 28.01 |
总结
GEOS-Chem 的碳气体模拟是一个集成化的高级模拟方案，适用于研究和建模 碳循环、排放源估计、以及气候变化中的温室气体行为。它统一了三种关键碳气体的处理方式，并为未来科学研究提供了更一致的数据支持。
Fullchem simulation（全化学模拟）
Fullchem simulation（全化学模拟）是 GEOS-Chem 中最完整、最复杂的模拟类型之一。它模拟了包括：
- 氮氧化物（NOₓ）
- 臭氧（Oₓ）
- 碳氢化合物（HCs）
- 气溶胶（Aerosols）
- 卤素（Halogens）
等在内的大气化学反应机制。
📦 全化学模拟的选项（Options）
可以在创建运行目录（run directory）时选择不同的 Fullchem 模拟选项：
| 选项名称 | 描述 |
|---|---|
| Standard | 默认的全化学模拟，使用简化的二次有机气溶胶（SOA）方案 |
| Benchmark | 基准模拟，用于 GEOS-Chem 性能测试，包含复杂 SOA，仅用于诊断 |
| Complex SOA | 使用 Pye et al. (2010) 的复杂 SOA 机制 |
| Complex SOA + SVPOA | 在复杂 SOA 基础上，加入半挥发性初级有机气溶胶（POA） |
| Marine POA | 加入海洋来源的 POA（MOPI 和 MOPO） |
| Acid uptake on dust | 加入酸在沙尘上的吸附过程 |
| TOMAS aerosol microphysics | 使用大小分布气溶胶模型（TOMAS）替代默认气溶胶方案 |
| APM aerosol microphysics | 使用 APM 气溶胶微物理模型 |
| RRTMG | 使用 RRTMG 辐射传输模型，用于计算辐射强迫 |
✅ 推荐用法：大多数用户采用 Standard 全化学模拟作为研究起点。
Standard 模拟中的物种（Species）
Standard 模拟中包含 数百种化学物种，分为两类：
1、 🔄 被输运物种（Transported species）
这些物种会随大气流动被输运，包括：
- 各种 挥发性有机物（VOCs）：如乙烯、丙烷、苯、甲醛等
- 无机气体：如 O₃、NOₓ、SO₂、NH₃ 等
- 气溶胶：如硝酸盐、硫酸盐、铵盐、有机碳、黑碳、沙尘、海盐
- 温室气体和卤代碳化物：如 CH₄、CO、CFCs、HCFCs 等
2、 ⚗️ 非输运物种（Non-transported species）
这些物种 不被输运，但参与反应，通常是 自由基或短寿命中间体，如：
- HO₂、OH、NO₃、RO₂ 等自由基
- 过氧自由基（peroxy radicals）
- Criegee 中间体（CH₂OO、CH₃CHOO）
- 各类中间态的氧化产物
其他模拟选项扩展
🧩 Complex SOA
- 加入 15 个 复杂 SOA 相关物种（如 ASOA1-3、TSOA0-3、ASOG1-3 等）
- 区分气相与气溶胶相的 SOA 前体和生成物
- 可用于更精细的气溶胶形成研究
🔥 Complex SOA + Semi-volatile POA
- 在 Complex SOA 基础上，加入 半挥发性初级有机气溶胶
- 额外物种如 OPOA1-2、OPOG1-2、POA1-2、POG1-2 等
🌊 Marine POA
- 添加海洋源 POA：MOPI（亲水性）和 MOPO（疏水性）
🏜️ Acid uptake on dust
- 模拟酸（如 HNO₃、H₂SO₄）在沙尘表面的吸附
- 添加 12 个新物种，如 DSTAL1-4、NITD1-4、SO4D1-4 等
🌫️ TOMAS 微物理模型
- 用 40 个粒径区间精确模拟气溶胶的物理行为
- 替代默认的 DST1-4 等 bulk 气溶胶
- 添加物种如 DUST01-40、ECIL01-40、OCIL01-40、SF01-40 等
⚛️ APM 微物理模型
- 使用 APM 模拟更复杂的气溶胶过程
- 包含黑碳、有机碳、海盐、硫酸盐等多种粒径分布物种
- 额外物种如 APMAMINE1-3、APMDSTBIN01-15、APMSPBIN01-40 等
☀️ RRTMG 辐射模型
- 启用 RRTMG 模拟辐射传输
- 可输出辐射强迫诊断量
- 不新增化学物种
总结
GEOS-Chem 的 Fullchem simulation 是一个全面、模块化、可扩展的大气化学模拟平台，适用于以下研究场景：
- 大气氧化性分析
- 气溶胶形成与输运
- 温室气体与空气污染物交互
- 大气化学机制测试与发展
- 全球与区域气候模拟中的化学反馈