[論文レビュー] Critical role of vertical radiative cooling contrast in triggering episodic deluges in small-domain hothouse climates

Xinyi Song, Dorian S. Abbot+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2023

Climate variability and modelsEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、小規模領域のホットハウス気候における発作的豪雨が、従来提案された低対流圏放射加熱ではなく、強い垂直放射冷却対比によって主に引き起こされることを示している。このメカニズムは、上対流圏の放射冷却が低対流圏加熱の約2倍に達することに依存し、対流抑制が周期的に蓄積・解放されることで成立する。豪雨のタイミングは、放射冷却および再蒸発冷却の時間スケールによって制御される。

ABSTRACT

Seeley and Wordsworth (2021) showed that in small-domain cloud-resolving simulations the pattern of precipitation transforms in extremely hot climates ($\ge$ 320 K) from quasi-steady to organized episodic deluges, with outbursts of heavy rain alternating with several dry days. They proposed a mechanism for this transition involving increased water vapor absorption of solar radiation leading to net lower-tropospheric radiative heating. This heating inhibits lower-tropospheric convection and decouples the boundary layer from the upper troposphere during the dry phase, allowing lower-tropospheric moist static energy to build until it discharges, resulting in a deluge. We perform cloud-resolving simulations in polar night and show that the same transition occurs, implying that some revision of their mechanism is necessary. We show that episodic deluges can occur even if the lower-tropospheric radiative heating rate is negative, as long as the magnitude of the upper-tropospheric radiative cooling is about twice as large. We find that in the episodic deluge regime the mean precipitation can be inferred from the atmospheric column energy budget and the period can be predicted from the time for radiation and reevaporation to cool the lower atmosphere.

研究の動機と目的

• 小規模領域の高温気候における準定常的から発作的豪雨パターンへの移行の物理的メカニズムを調査すること。
• 従来の提案通り、発作的豪雨形成に低対流圏放射加熱が不可欠であるかどうかを検証すること。
• 垂直放射冷却対比および対流抑制（CIN）が発作的対流をどのように組織化するかを検討すること。
• 豪雨のタイミングと振幅が、大気のエネルギー収支および放射冷却時間スケールから予測可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 放射効果を隔離するために、極夜条件下で小領域（72 km × 72 km）における大気モデル（SAM）を用いた雲解像度シミュレーションを実施した。
• 表面温度を変化させることでホットハウス気候（≥320 K）を再現し、対流圏全域における放射加熱／冷却プロファイルを分析した。
• 対流抑制（CIN）および対流可能潜在エネルギー（CAPE）の変化を追跡し、対流発生の条件を評価した。
• 下対流圏を冷却する放射および再蒸発プロセスに要する時間を定量し、豪雨の繰返し周期と関連付けた。
• グリッドポイント間での放射加熱率の水平均一性が、対流の同期化に果たす役割を評価した。
• 大気柱エネルギー収支を用いて、発作的豪雨状態における平均降水量を推定した。

Figure 1: Reproduction of modelling results in \citeA Seeley2021 using SAM. Panel (a) shows time-averaged radiative heating rate. Panels (b) and (c) show the precipitation pattern in two simulations with the surface temperature fixed at 305 K (Exp 1) and 325 K (Exp 2), respectively. Panels (d)–(g) s

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホットハウス気候における発作的豪雨の発生に、低対流圏放射加熱が不可欠であるか？
• RQ2 垂直放射冷却勾配が発作的対流の発火に果たす役割は何か？
• RQ3 上対流圏冷却が十分に強い場合、低対流圏加熱が負であっても発作的豪雨が発生可能か？
• RQ4 豪雨のタイミングがどの程度、放射冷却および再蒸発冷却時間スケールに依存するか？
• RQ5 放射加熱率の水平均一性が、対流の空間的・時間的同期化に与える影響はいかほどか？

主な発見

• 低対流圏放射加熱が負であっても、上対流圏放射冷却率が約2倍に達していれば、発作的豪雨は発生可能である。
• 発作的豪雨の周期は、主に下対流圏を冷却して対流抑制を打破するまでに要する放射および再蒸発プロセスの時間に依存する。
• 発作的豪雨状態における平均降水量は、大気柱エネルギー収支から推定可能である。
• 放射加熱率の水平均一性は、グリッドポイント間での対流の同期化に不可欠であり、マクロスコピックな発作的挙動を可能にする。
• 発作的豪雨への移行は、低対流圏加熱に依存するのではなく、放射冷却の強度およびその垂直的対比に依存する。
• このメカニズムは、異なる雲解像度モデルおよび極夜条件下でも安定しており、放射冷却対比が根本的な役割を果たすことを示唆している。

Figure 2: Full scale (a) and zoomed in (b) radiative heating rate profiles in polar night hothouse climate. One experiment fixes the sea surface temperature (SST) at 330 K (Exp 3). The other includes an ocean heat import of 230 W m -2 (Exp 4), in order to maintain the SST at around 330 K (c). Episod