[논문 리뷰] 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)|2016. 05. 02.

Climate variability and models인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 기후변화 하에서 지구 전체의 상대습도 감소와 해양-육지 간 온도 및_moisture_운반의 대비를 연결하는 개념적 상자 모델을 제안한다. 이 모델은 해양보다 더 강한 육상의 기온 상승이 상대습도 감소를 이끌며, 온도-습도 동역학의 상호작용을 통해 변화를 증폭시키는 핵심 피드백 메커니즘이 있음을 보여주며, 이는 증발산이 특정 습도에서는 보조적인 역할을 하지만 상대습도 감소에서는 더 큰 영향을 미친다는 것을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기후변화 하에서 육상 상대습도가 강하게 감소하는 것을 설명하고, 해양에서는 작은 증가와 대비되게 하는 것.
• 특히 해양 기반 에너지 균형 이론이 육상에서는 실패하는 바탕으로, 육상 상대습도 변화에 대한 기계적 이해의 부족을 해결하는 것.
• 해양에서 육상으로의 수증기 운반과 육상 지표면 온도 상승이 상대습도 변화를 어떻게 이끄는지 정량화하는 것.
• 육상에서 표면 온도 변화와 상대습도 변화 간 피드백과 그 증폭 효과를 조사하는 것.
• 육상 상대습도 추세를 결정하는 데 있어 증발산과 대기적 수증기 운반의 상대적 중요성을 평가하는 것.

제안 방법

• 육상과 해양 경계층을 두 개의 저장소로 둔 개념적 상자 모델을 개발하며, 수증기 운반을 통해 연결된다.
• 수증기 균형 프레임워크를 사용하여 육상의 특정 습도 변화를 해양의 특정 습도 변화와 증발산 유량과 연결한다.
• 모델의 예측 능력을 시험하기 위해 이상화된 시나리오와 CMIP5 일반 순환 모델(GCM) 시뮬레이션에 모델을 적용한다.
• 다음 공식을 사용하여 상대습도 변화를 해양 수증기 운반과 현지 증발산의 기여도로 분해한다: $ \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}}^{*}} $.
• 표면 온도와 상대습도 변화 간 피드백을 분석하여, 온도 변화를 고려할 경우 상대습도 반응이 최대 2.5배까지 증폭됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기후변화에 대한 상대습도 반응에서 육상과 해양 간 강한 대비가 발생하는 이유는 무엇인가? 특히 육상에서는 감소하고 해양에서는 작은 증가가 관찰된다.
• RQ2 육상-해양 온도 대비가 수증기 운반 동역학을 통해 육상 상대습도 변화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 증발산 변화와 해양 수증기 공급이 육상 상대습도 추세에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 표면 온도와 상대습도 변화 간 피드백이 감소된 기공 도전도나 토양 수분 변화와 같은 외부 힘에 대한 반응을 어떻게 증폭시키는가?
• RQ5 간단한 상자 모델이 복잡한 GCM 시뮬레이션에서의 상대습도 변화의 주요 특징을 잘 묘사할 수 있는가?

주요 결과

• 개념적 상자 모델은 CMIP5 GCM 시뮬레이션에서 관찰된 육상 상대습도 감소, 특히 육상-해양 대비를 성공적으로 재현한다.
• 모델은 해양보다 더 강한 육상의 기온 상승이, 포화 특정 습도 증가 속도가 더 빠르기 때문에 육상 상대습도 감소의 주요 원인임을 보여준다.
• 증발산은 육상에서 특정 습도 변화를 결정하는 데 보조적인 역할를 하지만, 상대습도 감소를 이끄는 데 더 중요한 역할를 한다.
• 표면 온도와 상대습도 변화 간 강력한 피드백 메커니즘이 존재하며, 이는 온도 변화를 고려할 경우 상대습도 변화가 최대 2.5배까지 증폭될 수 있음을 보여준다.
• 충분히 높은 기준 기후 온도 조건에서는 육상 상대습도 변화의 대부분이 직접적인 특정 습도 변화가 아니라 온도 변화에 의해 유도됨을 시사한다.
• 상자 모델의 가정을 넘어서, 강수-증발산 반응에 중요한 영향을 미치는 육상에서의 비율적 특정 습도 변화($\delta q/q$)의 공간 기울기를 더 깊이 연구할 필요가 있다.