[論文レビュー] A simple model for the emergence of relaxation-oscillator convection

Francisco E. Spaulding‐Astudillo, Jonathan L. Mitchell|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2023

Climate variability and models被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、対流をパラメータ化した1次元放射対流平衡（RCE）モデルにおいても、周期的で激しい嵐に続き乾燥期が続くリラクゼーション・オシレーター（RO）対流が出現することを示している。これは、雲解像度を持つ3次元シミュレーションに限らない。RO状態は、対流可能潜在エネルギー（CAPE）が深く、混合する対流上昇気流を維持できなくなると生じ、安定な定常状態の解析的モデルにおける不安定性によって、周期的挙動が生じる。このメカニズムは、土星の衛星タイタンのメタン循環を含む、任意の湿った惑星的大気に適用可能である。

ABSTRACT

Earth's tropics are characterized by quasi-steady precipitation with small oscillations about a mean value, which has led to the hypothesis that moist convection is in a state of quasi-equilibrium (QE). In contrast, very warm simulations of Earth's tropical convection are characterized by relaxation-oscillator-like (RO) precipitation, with short-lived convective storms and torrential rainfall forming and dissipating at regular intervals with little to no precipitation in between. We develop a model of moist convection by combining a zero-buoyancy model of bulk-plume convection with a QE heat engine model, and we use it to show that QE is violated at high surface temperatures. We hypothesize that the RO state emerges when the equilibrium condition of the convective heat engine is violated, i.e., when the heating rate times a thermodynamic efficiency exceeds the rate at which work can be performed. We test our hypothesis against one- and three-dimensional numerical simulations and find that it accurately predicts the onset of RO convection. The proposed mechanism for RO emergence from QE breakdown is agnostic of the condensable, and can be applied to any planetary atmosphere undergoing moist convection. To date, RO states have only been demonstrated in three-dimensional convection-resolving simulations, which has made it seem that the physics of the RO state requires simulations that can explicitly resolve the three-dimensional interaction of cloudy plumes and their environment. We demonstrate that RO states also exist in single-column simulations of radiative-convective equilibrium with parameterized convection, albeit in a different surface temperature range and with much longer storm-free intervals.

研究の動機と目的

• リラクゼーション・オシレーター（RO）対流—周期的で激しい嵐に続き乾燥期が続く—が、雲解像度を持つ3次元シミュレーションに依存せず、対流をパラメータ化した1次元モデルでも出現するかどうかを調査すること。
• 放射対流平衡の簡略化された準平衡（QE）モデルにおける定常解の不在を分析することで、RO状態の出現の背後にある物理的メカニズムを特定すること。
• 水（地球）やメタン（タイタン）といった異なる凝縮物質に対して、提案されたメカニズムが一般に適用可能かどうかを検証すること。
• RO状態が明示的な対流解像度に依存するのではなく、CAPEが連続的対流を維持できなくなるとエネルギー収支における根本的な不安定性に起因することを確立すること。

提案手法

• 放射、対流、雲プロセスをパラメータ化した、修正版のECHAM6一般循環モデルを1次元シングル・カラムモードで使用。
• 混合対流スキーム（混合・脱混合を含む）と相対湿度に基づく大規模凝縮／蒸発スキームを適用。
• 海面水温（SST）を290 K から 370 K まで1–5 K の刻みで変化させ、対流型態の遷移を調査。
• 定常混合率と固定された対流圏頂温度200 K を仮定した、放射対流平衡の解析的準平衡（QE）モデルを構築。
• 湿った静的エネルギーの保存則と混合対流パラメータ化を用いて、混合する対流上昇気流の温度勾配と顕熱放出を導出。
• 解析的モデルにおける定常解の不在を分析することで、システムの安定性を評価し、これとRO状態の周期的挙動の出現を関連付ける。

Figure 1: Displays (left to right) the minimal recipe, no-h2osw, and no-h2orad single column experiments with fixed SSTs between 300-360 K. The top row is net radiative temperature tendency in K/day. The bottom row is a time-series of rainfall rates in cm/day over a 30 year period. Rainfall rates at

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リラクゼーション・オシレーター（RO）対流が、雲解像度を持つ3次元シミュレーションに依存せず、対流をパラメータ化した1次元モデルでも出現するか？
• RQ2 放射対流平衡におけるRO状態の出現の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜRO状態は高表面温度または高大気湿度で出現するのか？また、これと対流可能潜在エネルギー（CAPE）の関係は何か？
• RQ4 ROメカニズムは、地球の水やタイタンのメタンといった異なる凝縮物質に対しても一般化可能か？
• RQ5 RCEの簡略化された解析的モデルにおける定常解の不在は、周期的挙動の出現を説明できるか？

主な発見

• パラメータ化された対流を伴う1次元放射対流平衡（1D-RCE）モデルにおいても、リラクゼーション・オシレーター（RO）状態が出現し、明示的な雲解像度がRO挙動に必要ではないことを確認した。
• RO状態は表面温度が約350 K のときに出現し、降水量のピークは1日あたり最大5 cmに達し、100～1000日周期で繰り返される嵐と乾燥期が交互に現れる。
• RO状態は、対流可能潜在エネルギー（CAPE）が持続的な深層対流を支えられなくなると出現し、解析的準平衡（QE）モデルにおける定常解の崩壊に起因する。
• このメカニズムは一般化可能である。凝縮物質が何であろうと、湿った惑星的大気に適用可能であり、タイタンのメタン循環への応用でそれが裏付けられた。
• 解析的モデルでは、降水量水蒸気量と混合率の比（PE/a）が一定でない場合、定常解が成立せず、RO状態と整合する周期的挙動が生じる。
• RO挙動への遷移は、CAPEの崩壊と、混合する対流上昇気流が浮力維持に失敗することに起因し、周期的嵐サイクルが生じる。

Figure 2: Time series of the minimal-recipe experiment over 5 years at $T_{s}=355$ K. Depicts (a) cloud water mixing ratio in color and vertically-integrated cloud water in black. (b) Temperature tendency from the convection scheme in K/day. (c) Difference in temperature between a parcel lifted from