[논문 리뷰] Critical role of vertical radiative cooling contrast in triggering episodic deluges in small-domain hothouse climates

Xinyi Song, Dorian S. Abbot외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 02.

Climate variability and modelsEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 소도메인의 고온 기후에서의 시계열 폭우가 이전에 제안된 바와 같이 하층 대기에서의 복사 warming이 아니라 강한 수직 복사 냉각 기울기로 인해 주로 유도됨을 보여준다. 이 메커니즘은 상층 대기에서의 복사 냉각이 하층 대기에서의 가열보다 약 두 배 강하기 때문에, 대류 억제력(CIN)이 주기적으로 축적되고 해소되며, 폭우 발생 시점은 복사 및 재증발 냉각 시간 상수에 의해 결정된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소도메인 고온 기후에서의 정체된 폭우 패tern에서 시계열 폭우 패턴으로의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 이전에 제안된 바와 같이 시계열 폭우 형성에 하층 대기에서의 복사 가열이 필수적인지 검증하는 것.
• 수직 복사 냉각 기울기와 대류 억제력(CIN)이 시계열 대류를 어떻게 조직화하는지 분석하는 것.
• 폭우의 발생 시기와 진폭이 대기 에너지 예산과 복사 냉각 시간 상수로부터 예측 가능한지 규명하는 것.

제안 방법

• 복사 효과를 분리하기 위해 극야 조건 하에서 소도메인(72 km × 72 km)에서 대기 모델링 시스템(SAM)을 사용한 구름 해상도 시뮬레이션을 수행하였다.
• 고온 기후(≥320 K)를 시뮬레이션하기 위해 표면 온도를 변화시켜 대기의 전체 대류층에서의 복사 가열/냉각 프로파일을 분석하였다.
• 대류 발생 조건을 평가하기 위해 대류 억제력(CIN)과 대류 가능 잠재에너지(CAPE)의 변화를 추적하였다.
• 하층 대기를 냉각시키기 위해 복사 및 재증발 과정이 소요되는 시간을 정량화하여 폭우 반복 주기와 연관지었다.
• 격자 간 대류의 동기화에 기여하는 복사 가열률의 수평 균일성 여부를 평가하기 위해 분석하였다.
• 시계열 폭우 제도에서의 평균 강수량을 대기 열역학 열역학 예산을 통해 유추하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 기후에서의 시계열 폭우 발생에 하층 대기에서의 복사 가열이 필수적인가?
• RQ2 수직 복사 냉각 기울기가 시계열 대류를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 하층 대기에서의 가열이 음수일 경우, 상층 대기에서의 냉각이 충분히 강하다면 시계열 폭우가 발생할 수 있는가?
• RQ4 폭우 발생 시점이 복사 및 재증발 냉각 시간 상수에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 복사 가열률의 수평 균일성이 대류의 공간적·시간적 동기화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 하층 대기에서의 복사 가열이 음수일지라도 상층 대기에서의 복사 냉각률이 약 두 배 이상 강하면 시계열 폭우가 발생할 수 있다.
• 시계열 폭우의 주기는 하층 대기를 냉각시켜 대류 억제력을 해소할 수 있는 데 필요한 복사 및 재증발 과정의 소요 시간에 의해 주로 결정된다.
• 시계열 폭우 제도에서의 평균 강수량은 대기 열역학 열역학 예산으로부터 추론할 수 있다.
• 복사 가열률의 수평 균일성이 격자 간 대류의 동기화에 매우 중요하며, 이는 거시적 수준의 시계열 행동을 가능하게 한다.
• 시계열 폭우로의 전이가 하층 대기에서의 가열에 의존하는 것이 아니라, 복사 냉각의 강도와 수직 기울기의 대비에 의해 결정된다.
• 이 메커니즘은 다양한 구름 해상도 모델에서 뚜렷하며, 극야 조건에서도 유지되어 복사 냉각 기울기의 근본적인 역할을 시사한다.

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