[論文レビュー] Understanding decreases in land relative humidity with global warming: conceptual model and GCM simulations

Michael P. Byrne, Paul A. O’Gorman|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|May 2, 2016

Climate variability and models被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、グローバル温暖化下での陸上相対湿度の低下を、陸上と海洋の温度対比および水分輸送と結びつける概念的ボックスモデルを提案する。陸上が海洋よりも強く温暖化するほど相対湿度の低下が促進され、温度-湿度の連携ダイナミクスによるフィードバックが変化を強化するメカニズムを示し、蒸発散が特定湿度においては二次的役割を果たすが、相対湿度の低下においてはより大きな役割を果たすことを説明する。

ABSTRACT

Climate models simulate a strong land-ocean contrast in the response of near-surface relative humidity to global warming: relative humidity tends to increase slightly over oceans but decrease substantially over land. Surface energy balance arguments have been used to understand the response over ocean but are difficult to apply over more complex land surfaces. Here, a conceptual box model is introduced, involving moisture transport between the land and ocean boundary layers and evapotranspiration, to investigate the decreases in land relative humidity as the climate warms. The box model is applied to idealized and full-complexity (CMIP5) general circulation model simulations, and it is found to capture many of the features of the simulated changes in land relative humidity. The box model suggests there is a strong link between fractional changes in specific humidity over land and ocean, and the greater warming over land than ocean then implies a decrease in land relative humidity. Evapotranspiration is of secondary importance for the increase in specific humidity over land, but it matters more for the decrease in relative humidity. Further analysis shows there is a strong feedback between changes in surface-air temperature and relative humidity, and this can amplify the influence on relative humidity of factors such as stomatal conductance and soil moisture.

研究の動機と目的

• グローバル温暖化下での陸上相対湿度の堅牢な減少を説明すること。特に、海洋では微増にとどまるのと対照的である。
• 特に海洋のエネルギー収支の議論が陸上では成立しないことから、陸上相対湿度変化のメカニズム的理解の不足に応えること。
• 海洋から陸上への水分輸送および陸上表面温度上昇が相対湿度変化をどのように駆動するかを定量化すること。
• 陸上における表面温度と相対湿度変化の間のフィードバックおよびその増幅効果を調査すること。
• 蒸発散と大規模な水分輸送の両者が、陸上相対湿度トレンドに与える相対的寄与度を評価すること。

提案手法

• 陸上と海洋の境界層を2つの貯蔵庫とする概念的ボックスモデルを構築し、水分輸送で接続する。
• 水分収支フレームワークを用いて、陸上特定湿度の変化を海洋特定湿度の変化および蒸発散フラックスと関連付ける。
• モデルの予測能力を検証するため、理想化されたシナリオおよびCMIP5一般循環モデル（GCM）のシミュレーションにモデルを適用する。
• 次の式を用いて、相対湿度変化の寄与要因を海洋水分輸送と局所的蒸発散に分解する：$ \frac{\delta H_{\rm{L}}}{H_{\rm{L}}} \approx \frac{\gamma q_{\rm{O}}}{q_{\rm{L}}} \left( \frac{\delta q_{\rm{O}}}{q_{\rm{O}}} - \frac{\delta q_{\rm{L}}^{*}}{q_{\rm{L}}^{*}} \right) \frac{q_{\rm{L}}^{*}}{q_{\rm{L}}^{*} + \delta q_{\rm{L}}^{*}} + \frac{q_{\rm{E}}}{q_{\rm{L}}} \left( \frac{\delta q_{\rm{E}}}{q_{\rm{E}}} - \frac{\delta q_{\rm{L}}^{*}}{q_{\rm{L}}^{*}} \right) \frac{q_{\rm{L}}^{*}}{q_{\rm{L}}^{*} + \delta q_{\rm{L}}^{*}} $。
• 表面温度と相対湿度変化の間のフィードバックを分析し、温度変化を含めた場合に相対湿度応答が最大2.5倍まで増幅されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜグローバル温暖化下で、陸上では相対湿度が低下するのに対し、海洋では微増にとどまる、強力な陸上-海洋対比が生じるのか？
• RQ2 陸上-海洋温度対比が、水分輸送ダイナミクスを通じて、どのように陸上相対湿度の変化に影響を与えるのか？
• RQ3 蒸発散の変化と海洋からの水分供給の両方が、陸上相対湿度トレンドにどの程度寄与しているのか？
• RQ4 表面温度と相対湿度変化の間のフィードバックが、気孔抵抗の低下や土壌水分の変化といった外乱に起因する応答をどの程度増幅するのか？
• RQ5 シンプルなボックスモデルが、複雑なGCMシミュレーションにおける相対湿度変化の主要な特徴を捉えることができるか？

主な発見

• 概念的ボックスモデルは、CMIP5 GCMにおける陸上相対湿度の低下、特に陸上-海洋対比をうまく再現した。
• モデルは、海洋よりも陸上が強く温暖化するという事実が、飽和特定湿度の上昇が速いため、陸上相対湿度の低下の主因であることを示した。
• 蒸発散は、陸上における特定湿度の変化を決定づける二次的要因であるが、相対湿度の低下を引き起こす上でより重要な役割を果たす。
• 表面温度と相対湿度変化の間の強いフィードバックが、応答を増幅させ、温度変化を考慮した場合、相対湿度変化が最大2.5倍まで増幅される可能性がある。
• 十分に高い制御気候温度下では、陸上相対湿度変化の大部分が、直接的な特定湿度変化ではなく、誘導された温度変化に起因する。
• モデルは、陸上における特定湿度変化率（$\delta q/q$）の空間勾配が、降水量-蒸発散応答にとって重要であるが、ボックスモデルの仮定を超えてさらなる研究が求められることを示唆している。