一种评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法

本发明属于大气化学与气候数值模拟，具体涉及评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法。

背景技术：

1、评估大气成分变化及其气候效应主要依赖于气候-化学耦合数值模式，如全球气候模式或区域气候化学模式。这些模式的核心机制包括光化学反应、气溶胶物理化学过程、云微物理以及与生态系统的相互作用等。它们被广泛应用于研究人为排放和传统自然因素（如太阳紫外辐射、火山喷发）对臭氧、气溶胶等成分的影响，进而评估其对气候变化的作用。

2、当前主流的气候-化学模式在模拟和评估影响气候变化的驱动因子时，普遍忽略或简化了宇宙射线这一重要自然外源强迫过程。宇宙射线进入大气层后，通过电离作用产生大量自由电子，可引发一系列复杂的气相离子化学反应，直接影响臭氧、水汽等温室气体的浓度。由于该物理化学过程未被纳入模式框架，导致在分析对流层上部臭氧变化、水汽分布及其气候反馈时，可能遗漏来自宇宙射线的贡献，使得对自然因素影响气候变化的评估不够全面。

技术实现思路

1、发明目的：为克服现有区域气候-化学模式在氧化亚氮模拟中的缺陷，本发明提供了一种评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，解决了现有气候-化学数值模式无法量化评估宇宙射线通过离子化学反应对大气成分（尤其是对流层上部臭氧和水汽）影响的技术问题。

2、 技术实现要素： 为解决上述技术问题，本发明所采用以下技术方案：一种评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，包括以下步骤：

3、s1，数据获取和驱动场构建：获取目标区域和时段的宇宙射线通量观测数据和宇宙射线调制参数；

4、s2，宇宙射线电离过程量化：采用宇宙射线大气簇射与电离模型，并基于步骤s1得到的宇宙射线通量观测数据、目标区域的电磁截止刚度和标准大气廓线，建立电离率计算模型，进而得到目标区域的电子浓度时空分布；

5、计算得到地面至模式顶的大气电离率和电子浓度；

6、s3，气候-化学耦合模式优化：以区域气候-化学-生态耦合模式regcm-chem-yibs作为基础框架，在原有气相化学机制中，构建由电子附着引发并影响臭氧和水汽的负离子链式反应的宇宙射线-离子化学子模块；并通过步骤s2得到的电子浓度时空分布；

7、s4，数值试验设计和影响分离：

8、（1）在区域气候-化学-生态耦合模式下，关闭宇宙射线-离子化学子模块，模拟得到大气成分的背景场ctrl；

9、（2）在区域气候-化学-生态耦合模式下，并与步骤（1）相同的条件下，开启宇宙射线-离子化学子模块，模拟得到受宇宙射线影响的大气成分的分布场cr；

10、（3）将步骤（2）和（1）分别得到的大气成分的分布场cr和大气成分的背景场ctrl的结果逐格点、逐时次相减，得到差值场的时空分布。

11、进一步的，步骤s1所述宇宙射线通量观测数据来自全球中子监测器网络nmdb。

12、进一步的，步骤s2所述宇宙射线大气簇射与电离模型采用crac:crii模型（cosmic-ray atmospheric cascade: application to cosmic ray inducedionization）。

13、进一步的，步骤s2所述宇宙射线大气簇射与电离模型通过计算地面至模式顶的大气电离率和电子浓度，得到目标区域的电子浓度时空分布。

14、进一步的，步骤s3所述宇宙射线-离子化学子模块的负离子链式反应包括：

15、    （1）

16、    （2）

17、    （3）

18、    （4）

19、    （5）

20、    （6）

21、    （7）

22、    （8）

23、    （9）

24、   （10）

25、    （11）

26、    （12）

27、    （13）

28、    （14）

29、    （15）

30、    （16）

31、    （17）

32、    （18）

33、    （19）

34、    （20）

35、    （21）

36、    （22）

37、    （23）

38、    （24）

39、    （25）

40、    （26）

41、    （27）

42、    （28）

43、    （29）

44、    （30）

45、    （31）

46、    （32）。

47、有益效果：相比于现有技术，本发明在区域气候-化学-生态耦合模式中嵌入了宇宙射线驱动的离子化学模块，能够将宇宙射线电离过程及其引发的关键离子化学反应，完整地耦合到区域气候-化学-生态模式中；通过设计数值对比试验，能定量计算出由宇宙射线离子化学过程导致的臭氧浓度变化量和水汽混合比变化量；并评估该影响在不同太阳活动强度年份（宇宙射线强弱年）、不同季节和不同纬度地区的差异特征。

1.一种评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，其特征在于：步骤s1所述宇宙射线通量观测数据来自全球中子监测器网络nmdb。

3.根据权利要求1所述评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，其特征在于：步骤s2所述宇宙射线大气簇射与电离模型采用crac:crii模型。

4.根据权利要求3所述评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，其特征在于：步骤s2所述宇宙射线大气簇射与电离模型通过计算地面至模式顶的大气电离率和电子浓度，得到目标区域的电子浓度时空分布。

5.根据权利要求1所述评估宇宙射线对对流层大气成分影响的数值模拟方法，其特征在于：步骤s3所述宇宙射线-离子化学子模块的负离子链式反应包括：