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为解决 E3SM 大气化学评估与分析的现有差距，研究人员开发了 ChemDyg 这一 Python 包。它能对 E3SM 化学进行评估诊断，生成多种图表对比模型与观测数据，有助于提升模型性能，推动 E3SM 化学研究。
在地球系统科学研究领域，准确模拟和理解大气化学过程至关重要。美国能源部推出的能源百亿亿次级地球系统模型（E3SM）在气候研究方面发挥着重要作用。然而，随着研究的深入，现有模型评估工具暴露出诸多不足。例如，E3SM 诊断包（E3SM Diags）虽能对气象和气候特征进行综合诊断，但在化学诊断方面却存在短板，无法满足对臭氧动力学等关键化学过程的详细分析需求。这就好比在探索大气奥秘的道路上，我们缺少了一把精准的 “钥匙”，难以深入了解大气化学的复杂机制。
为了填补这一空白，来自国外的研究人员开展了一项具有开创性的研究。他们开发了化学评估和诊断包（Chemistry Evaluation and Diagnostics Package，ChemDyg）这一开源工具，专门用于 E3SM 的大气化学研究。该研究成果意义非凡，它为 E3SM 的化学模块提供了全面且深入的评估手段，有助于提升模型对大气化学过程的模拟精度，从而更准确地预测地球系统的变化，对环境保护、气候研究等多个领域都有着不可估量的价值。该研究成果发表在《Environmental Modelling 》上。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，借助 zppy 这一专为 E3SM 设计的后处理工具链，实现了 ChemDyg 的运行和任务管理。其次，采用了多种数据处理和分析技术，如对模型输出数据进行重新网格化处理，使其能与观测数据进行有效对比；运用多种统计分析方法，生成各类图表以展示模型与观测数据的差异等。同时，研究使用了来自多个不同来源的观测数据，如北美和欧洲的地面臭氧观测数据、CMIP6 模型的对流层臭氧数据等，为研究提供了丰富的数据支持。
下面来看具体的研究结果：
- 二维压力 - 纬度图和经纬度图：通过绘制压力 - 纬度纬向平均等值线图，展示了臭氧（O3）、对流层臭氧（O3Trop）、比湿（Q）和温度（T）的分布情况。引入的人工示踪剂 E90 有效区分了平流层和对流层空气，改进了对对流层顶的定义，增强了对平流层水汽和温度梯度的表征。同时，全球经纬度图展示了总可降水量（TMQ），凸显了气象因素对化学过程的重要影响。
- 氮氧化物（NOx）飞机和闪电排放图：该诊断集聚焦于闪电放电和飞机排放的 NOx，绘制了其垂直剖面和经纬度等值线图，突出了这些排放源对大气化学的关键贡献，因为 NOx在空气污染、烟雾形成以及臭氧形成过程中都扮演着重要角色。
- 对流层臭氧负担比较：分析了五个 CMIP6 模型的对流层臭氧负担，并与 E3SM 进行对比。研究发现，虽然不同模型在对流层臭氧绝对负担上存在差异，但都呈现出从工业化前到现在增加的趋势。E3SMv3 的对流层臭氧负担时间演变与 CMIP6 多模型范围吻合良好，验证了其对流层化学包的正确实施。
- 表面臭氧昼夜和年度循环比较：结合北美和欧洲空气质量网络的 10 年每小时地面臭氧测量数据，以及 ACCMIP 模型的模拟数据，对表面臭氧的昼夜和年度循环进行分析。结果表明，E3SMv3 在模拟表面臭氧水平方面比大多数 ACCMIP 模型表现更好，且不存在极端高偏差问题。
- 表面 CO 比较：利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）12 个监测站的表面 CO 数据，与 E3SM 模型模拟结果对比。发现 E3SMv3 能合理捕捉趋势、季节性和年际变化，但存在系统平均偏差，可能需要增加北半球 CO 和挥发性有机化合物（VOC）前体的来源。
- 臭氧洞：以 NASA 臭氧观测网站的每日臭氧洞诊断数据为参考，评估 E3SM 模拟南极臭氧洞的能力。对比模型和观测的臭氧洞面积及最小总柱臭氧值，发现 E3SMv3 虽有改进，但仍难以捕捉 8 月和 9 月臭氧的快速大幅下降。
在研究结论和讨论部分，ChemDyg 为 E3SM 化学模拟提供了全面评估。它能通过统计比较、预算分析和可视化，评估模型的化学结果，及时发现潜在问题，验证模型性能并明确改进方向。例如，在南极臭氧洞模拟中，E3SMv3 因采用 Linoz v3 和改变平流层动力学，减少了高纬度南半球的平流层柱臭氧（SCO）水平，提高了臭氧消耗深度，但仍有改进空间。此外，ChemDyg 还助力调整闪电 NOx排放因子，使排放更符合实际。总体而言，ChemDyg 作为 E3SM 化学研究的重要工具，在提升模型性能、推动大气化学研究方面具有不可替代的作用，为科学界理解和预测大气化学过程提供了有力支持，也为后续相关研究奠定了坚实基础。
