[論文レビュー] The physics of climate change: simple models in climate science

Nadir Jeevanjee|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Climate variability and models参考文献 39被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、複雑な気候現象を基礎的な物理学に還元することで、気候変動をよりわかりやすく説明する簡略化された物理モデルを提示する。放射平衡・対流平衡、水蒸気フィードバック、降水量感受性といった重要な関係式を、取り扱いやすい近似を用いて導出し、自由対流圏における相対湿度と放射温度が表面温暖化に対してほぼ不変であることを示し、気候モデルと整合する強固な水蒸気フィードバックの存在を裏付けている。

ABSTRACT

There is a perception that climate science can only be approached with complex computer simulations. But working climate scientists often use simple models to understand their simulations and make order-of-magnitude estimates. This article presents some of these simple models with the goal of making climate science more accessible and comprehensible.

研究の動機と目的

• 複雑で透徹のいかないモデルに代えて、シンプルで物理的に根拠を持つモデルを導入することで、気候科学をよりアクセス可能なものにする。
• 水蒸気フィードバックや温暖化に対する降水量応答といった、重要な気候現象の物理的基盤を明確にする。
• 放射温度や自由対流圏における相対湿度といった、基本的な気候変数が表面温度とほぼ不変であること、したがってフィードバックの安定性が保証されることを示す。
• 研究者や学生がブラックボックスのシミュレーションに依存せずに、自立的で教育的かつ定量的な気候変動の推論ツールを手に入れる。

提案手法

• 水平方向の熱輸送がないと仮定し、大気の垂直エネルギーおよび水分収支を放射平衡対流平衡（RCE）を用いてモデル化する。
• 入射日放射と有効放射温度を結ぶエネルギー収支制約式 S = σT⁴_em を適用する。
• 単位光学的厚さからの放射温度と表面温度不変性の概念を用いて、水蒸気フィードバックを導出する。
• 基本的な物理的原則から一時的および平衡気候感受性を推定するための二段階モデルを導入する。
• 混合比収支に拡散および放出率を組み込み、RH_ft = δ / (δ + γ) を導出することで、自由対流圏における相対湿度をモデル化する。
• 熱力学的エネルギーと凝縮熱を用いて導出される湿bulent温度勾配（Γ_m）を用い、γ が温度および気圧にどのように変化するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球の大気の有効放射温度が約255 K であるのはなぜか、そして表面温度とどのように関係しているのか。
• RQ2 水蒸気フィードバックは、基本的な放射および熱力学的原理からどのように生じるのか。なぜそれがほぼ線形的なのか。
• RQ3 平均降水量がなぜ表面温暖化とともに増加するのか。この応答を支配する物理的制約は何か。
• RQ4 自由対流圏における相対湿度の値はどのように決定され、なぜ表面温度とほぼ不変なのか。
• RQ5 シンプルなモデルは、相対湿度の一定性や表面温度不変の放射温度といった、気候モデルの強固な挙動をどのように再現できるのか。

主な発見

• 地球大気の有効放射温度は255 K であり、これは惑星エネルギー収支から導出され、観測と一致する。
• 自由対流圏における相対湿度は表面温度とほぼ不変であり、δ = 1 km⁻¹ および γ = 0.5 km⁻¹ の場合に RH_ft ≈ 0.67 となる。これはシミュレーションと整合的である。
• 水蒸気フィードバックは強固である。これは、単位光学的厚さからの放射温度が表面温度とほぼ不変であるためであり、強い正のフィードバックを生じる。
• 降水量は、大気の放射冷却が表面エネルギー入力をバランスさせるという放射制約のため、温暖化に伴い約2%増加する。
• 温度勾配フィードバックは弱い。これは湿bulent温度勾配が表面温度とほぼ不変であるためであり、自由対流圏における相対湿度の一定性を支持する。
• 二段階モデルは、基本的なエネルギー収支および水分収支を用いて、一時的および平衡気候感受性を的確に捉えており、複雑なモデルとの定量的橋渡しを提供する。