[논문 리뷰] A simple model for the emergence of relaxation-oscillator convection

Francisco E. Spaulding‐Astudillo, Jonathan L. Mitchell|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 05.

Climate variability and models인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 복사대류평형 상태에서 파arameterized 대류를 갖는 단일기둥 모델에서도, 구름해상도 3D 시뮬레이션에서만 관찰되었던 바쁜 폭풍과 건조기로 구성된 반복적 패턴을 띠는 이완진동자(convection)가 나타남을 보여준다. RO 상태는 대류 가능 잠열에너지(CAPE)가 깊고, 침식되는 기포를 지속할 수 없을 때 발생하며, 이는 안정한 상태에서의 해석 모델의 불안정성으로 인해 발생하는 진동 행동이다. 이 메커니즘은 티탄의 메탄 순환을 포함한 모든 수증기 대류 행성 대기에서 적용 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이완진동자(RO) 대류—주기적이고 강력한 폭풍이 이어지고 건조기가 반복되는 현상—이 구름해상도 3D 시뮬레이션을 필요로 하지 않고, parameterized 대류를 갖는 단일기둥 모델에서도 나타나는가를 조사하는 것.
• 단순화된 준평형(QE) 모델을 분석하여, 복사대류평형 상태에서의 안정한 상태 해가 존재하지 않는다는 점을 통해 RO 상태가 나타나는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 지구의 수증기와 티탄의 메탄을 포함한 다양한 응축 물질에 대해 제안된 메커니즘이 일반적으로 적용되는지 테스트하는 것.
• RO 상태가 명시적인 대류 해상도에 의존하는 것이 아니라, CAPE가 지속적인 대류를 유지할 수 없을 때 에너지 예산의 기본적인 불안정성에서 기인한다는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• parameterized 복사, 대류, 구름 과정를 포함한 단일기둥 모드의 수정된 ECHAM6 일반순환모델을 사용.
• 침식 및 탈침식이 있는 블록플룸 대류 체계와 상대습도 기반의 대규모 응결/증발 체계를 적용.
• 표면수온(SST)을 290 K에서 370 K까지 1–5 K 간격으로 변화시켜 대류 제도의 전이를 탐색.
• 고정된 침식률과 200 K의 고정된 대류권상부 온도를 가정한 복사대류평형 상태의 분석적 준평형(QE) 모델을 개발.
• 습정적에너지 보존과 블록플룸 파arameterization을 사용하여 침식 기포의 온도 경사도와 잠열 방출을 유도.
• 분석 모델에서 안정한 상태 해가 존재하지 않는 것을 분석하여 시스템의 안정성을 평가하고, 이는 RO 상태의 진동 행동으로 이어짐을 연결함.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이완진동자(RO) 대류가 구름해상도 3D 시뮬레이션을 필요로 하지 않고, parameterized 대류를 갖는 단일기둥 모델에서도 나타날 수 있는가?
• RQ2 복사대류평형 상태에서 RO 상태가 나타나는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 고온의 표면온도 또는 고습도 대기에서 RO 상태가 나타나며, 이는 대류 가능 잠열에너지(CAPE)와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 수증기 대기(지구)와 메탄 대기(티탄)를 포함한 다양한 응축 물질에 대해 RO 메커니즘이 일반화 가능한가?
• RQ5 단순화된 분석 모델에서 RCE의 안정한 상태 해가 존재하지 않는다는 것은 진동 행동의 발생을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 이완진동자(RO) 상태는 parameterized 대류를 갖는 복사대류평형 상태의 단일기둥 모델(1D-RCE)에서 나타나며, 이는 RO 행동이 명시적 구름 해상도가 필요하지 않음을 확인한다.
• 표면온도 약 350 K에서 RO 상태가 나타나며, 강우량은 최대 일일 5 cm에 이르고, 100–1000일 간격으로 반복되며, 건조기와 번갈아 나타난다.
• RO 상태는 대류 가능 잠열에너지(CAPE)가 지속적인 깊은 대류를 뒷받침할 수 없을 때 발생하며, 이는 분석적 준평형(QE) 모델에서 안정한 상태 해가 붕괴됨을 의미한다.
• 이 메커니즘은 일반적이다: 응축 물질에 관계없이 모든 수증기 대류 행성 대기에서 적용 가능하며, 티탄의 메탄 순환에 성공적으로 적용됨을 보여줌.
• 분석 모델은 강수량 대비 침식률 비율(PE/a)이 일정하지 않을 경우 안정한 상태 해가 실패하며, 이는 RO 상태와 일치하는 진동 행동을 유도함을 보여준다.
• RO 행동으로의 전이가 CAPE 붕괴와 침식 기포의 부력 유지 능력 상실과 관련되어 있으며, 이는 주기적인 폭풍 주기를 초래한다.

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