[논문 리뷰] The physics of climate change: simple models in climate science

Nadir Jeevanjee|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 08.

Climate variability and models참고 문헌 39인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 기후 변화를 이해하기 쉽게 하기 위해 복잡한 기후 현상을 기본 물리학에 기반한 단순화된 물리 모델을 제시한다. 복잡한 기후 현상의 기초를 다지는 데 초점을 맞추어, 복사-대류 평형, 수증기 피드백, 강수량 민감도 등의 핵심 관계를 다루며, 접근 가능한 근사치를 사용해 유도한다. 이는 자유 대류권의 상대 습도와 복사 온도가 표면 온도 상승과 함께 거의 일정하다는 것을 보여주며, 기후 모델과 일치하는 강력한 수증기 피드백을 지지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 모델이 투명하지 않아서 기후 과학을 더 쉽게 접근 가능하게 하기 위해, 투명한 복잡한 모델 대신 단순하고 물리적으로 기초한 모델을 제시하기 위해.
• 표면 온도 상승에 따른 수증기 피드백과 강수량 반응과 같은 핵심 기후 현상의 물리적 기초를 명확히 하기 위해.
• 대류권 상층의 상대 습도와 복사 온도와 같은 기본 기후 변수들이 표면 온도 변화와 함께 거의 일정하다는 것을 보여주어, 안정적인 피드백 행동을 지지하기 위해.
• 연구자들과 학도들이 블랙박스 시뮬레이션에 의존하지 않고도 기후 변화에 대한 정량적 추론를 위한 자가 포함된 교육적 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 수평 열수송이 없음을 가정하여 대기 중 수직 에너지 및 수증기 균형을 모델링하기 위해 복사-대류 평형(RCE)을 사용한다.
• 들어오는 태양 복사와 효과적 복사 온도를 연결하기 위해 에너지 균형 조건 S = σT⁴_em을 적용한다.
• 유닛 광학 두께에서의 복사 온도 개념과 표면 온도에 대한 복사 수준의 불변성 원리를 사용하여 수증기 피드백을 유도한다.
• 기본 물리 원리로부터 잠시 및 평형 기후 민감도를 추정하기 위해 이중 상자 모델을 도입한다.
• 혼입 및 탈입률을 고려한 수증기 예산을 통해 자유 대류권 상대 습도를 모델링하고, RH_ft = δ / (δ + γ)를 유도한다.
• 열역학적 에너지와 Condensation Heaing을 기반으로 유도된 습윤 등온도 기울기(Γ_m)를 사용하여, γ가 온도와 압력에 따라 어떻게 변화하는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구 대기의 복사 온도가 왜 약 255 K이며, 표면 온도와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 기본적인 복사 및 열역학 원리에서 수증기 피드백은 어떻게 유도되며, 왜 거의 선형적인가?
• RQ3 왜 평균 강수량은 표면 온도 상승과 함께 증가하는가? 이 반응을 지배하는 물리적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 자유 대류권 상대 습도의 값은 무엇에 의해 결정되며, 왜 표면 온도 변화와 거의 불변인가?
• RQ5 단순 모델은 어떻게 기후 모델의 강력한 행동(예: 일정한 상대 습도, 표면 온도에 불변인 복사 온도)을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 지구 대기의 효과적 복사 온도는 255 K이며, 이는 행 星 에너지 균형에서 도출되며 관측 결과와 일치한다.
• 자유 대류권 상대 습도는 표면 온도 변화와 거의 불변하며, δ = 1 km⁻¹ 및 γ = 0.5 km⁻¹일 경우 RH_ft ≈ 0.67로 유도되며, 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• 수증기 피드백은 강력한 이유는 유닛 광학 두께에서의 복사 온도가 표면 온도 변화와 거의 불변이기 때문이다. 이는 강력한 정의 피드백을 이끈다.
• 강수량은 복사 제약 조건으로 인해 온도 상승과 함께 증가한다. 대기 복사 냉각이 표면 에너지 입력과 균형을 이루기 때문이다. 이에 따라 온도 상승 1K당 약 2% 증가한다.
• 기울기 피드백은 약한 편이다. 습윤 등온도 기울기가 표면 온도 변화와 거의 불변이기 때문이다. 이는 자유 대류권에서 상대 습도가 일정하다는 가정을 지지한다.
• 이중 상자 모델은 기본 에너지 및 수증기 예산을 사용하여 잠시 및 평형 기후 민감도를 성공적으로 모의하여, 단순 모델과 복잡한 모델 사이의 정량적 다리를 놓는 데 기여한다.