[논문 리뷰] Water vapor and the dynamics of climate changes

Tapio Schneider, Paul A. O’Gorman외 1명|2009. 08. 30.

Climate variability and models참고 문헌 79인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 수증기 응결에서 발생하는 잠열 방출이 다양한 기후 조건에서 전 세계 대기 순환에 미치는 영향을 조사한다. 그 결과, 동역적 피드백으로 인해 헤이들 세포와 중위도 기상 시스템의 순환 강도가 뜨거운 기후이든 차가운 기후이든 모두 감소할 수 있음을 밝혀냈다. 이상화된 대기 순환 모델을 사용하여, 수증기가 정적 안정도를 어떻게 변화시키는지 분석한 결과, 기후 역학의 변화가 단조롭지 않음을 확인했으며, 이는 온난화에 따른 순환 반응이 단조롭다는 기존의 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Water vapor is not only Earth's dominant greenhouse gas. Through the release of latent heat when it condenses, it also plays an active role in dynamic processes that shape the global circulation of the atmosphere and thus climate. Here we present an overview of how latent heat release affects atmosphere dynamics in a broad range of climates, ranging from extremely cold to extremely warm. Contrary to widely held beliefs, atmospheric circulation statistics can change non-monotonically with global-mean surface temperature, in part because of dynamic effects of water vapor. For example, the strengths of the tropical Hadley circulation and of zonally asymmetric tropical circulations, as well as the kinetic energy of extratropical baroclinic eddies, can be lower than they presently are both in much warmer climates and in much colder climates. We discuss how latent heat release is implicated in such circulation changes, particularly through its effect on the atmospheric static stability, and we illustrate the circulation changes through simulations with an idealized general circulation model. This allows us to explore a continuum of climates, constrain macroscopic laws governing this climatic continuum, and place past and possible future climate changes in a broader context.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기후 조건에서 수증기의 역학적 역할이 전 세계 대기 순환에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 현재 기후보다 더 따뜻하거나 더 춥기만 한 기후에서 대기 순환 통계치(예: 헤이들 세포 강도와 중위도 기상 시스템의 난류 운동에너지)가 더 약해질 수 있는 이유를 조사하기 위해.
• 잠열 방출이 수직 열 및 운동량 이동에 미치는 영향을 통해 대기 정적 안정도와 순환 패턴에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 현재 기후의 변동성에 의존하지 않고 다양한 지표면 온도 범위에서의 시뮬레이션을 분석함으로써 기후 변화를 규명하는 거시적 법칙을 제약하기 위해.
• 습기 있는 대기와 건조한 대기에서의 아열대 및 중위도 정적 안정도에 대한 통합된 이론 부족 문제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 지표면 평균 온도의 연속적인 범위를 탐색하기 위해 이상화된 대기 순환 모델(GCM)을 사용한 시뮬레이션.
• 습기 있는 대류에 대해 채택된 준평형 가정으로, 열대권에서 대류 조정이 습기-단열 경향률을 유지하도록 한다.
• 에너지 및 운동량 예산 분석을 통해 잠열 방출이 정적 안정도 및 순환 강도 변화와 어떻게 연결되는지 분석한다.
• 강수량 가능 수분과 수직 질량 유량을 대기 수증기 및 상승 기류의 지표로 사용하여 지표면 온도 변화에 따른 반응을 추적한다.
• 지역 운동량 균형과 난류 유량을 분석하여 헤이들 순환 강도 및 스톰 트랙 위치 변화를 이해한다.
• 건조한 정적 에너지 유량과 습기 있는 정적 에너지 유량을 비교하여 전체 극방향 에너지 이송과 그 비단조화적 행동을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 기후 상태에서 평균 수직 순환과 난류 운동량 유량의 변화가 헤이들 순환 강도를 어떻게 함께 조절하는가?
• RQ2 수직 온도 기울기, 특정 습도, 정적 안정도와의 관계에서 헤이들 순환의 폭은 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 잠열 방출이 직접적으로 중위도 기상 시스템의 난류를 에너지로 제공할 수 있는가, 아니면 주로 대기의 거시적 상태를 변화시켜 영향을 미치는가?
• RQ4 기후 온난화에 대한 반응으로 스톰 트랙이 극방향으로 이동하는 것은 무엇에 의해 제어되는가?
• RQ5 특히 습기 있는 기후와 건조한 기후에서 아열대 및 중위도 대류권의 정적 안정도는 무엇에 의해 지배되는가?

주요 결과

• 헤이들 순환 강도는 현재 기후보다 훨씬 따뜻하거나 차가운 기후에서 난류 운동량 유량과 정적 안정도의 비단조화적 변화로 인해 더 약해질 수 있다.
• 강수량 가능 수분이 증가함에도 불구하고, 수직 온도 기울기가 감소하고 정적 안정도가 증가함에 따라 중위도 기상 시스템의 난류 운동에너지(스톰리니스 측정치)는 따뜻한 기후와 차가운 기후 모두에서 감소한다.
• 온난화에 따라 열대권의 총 상승 질량 유량이 반드시 감소하지는 않으며, 강수량과 습기-단열 정적 안정도의 변화가 강수량 가능 수분보다 더 느리게 변화하기 때문이다.
• 온난화에 따라 극방향 잠열 유량은 증가하지만, 건조한 정적 에너지 유량은 비단조화적으로 변화할 수 있어 전체 극방향 에너지 유량의 비단조화적 행동이 발생한다.
• 아열대 및 중위도에서 정적 안정도는 따뜻한 기후와 차가운 기후 모두에서 증가한다. 따뜻한 기후에서는 잠열 이동이 강화되고, 차가운 기후에서는 수직 온도 기울기가 더 강해지기 때문이다. 이러한 정적 안정도 증가는 순환 약화에 기여한다.
• 논문은 비단조화적인 총 에너지 유량 변화에 의해, 균형 기후에서 적도-극 온도 기울기가 얼마나 작아질 수 있는지에 대한 잠재적 한계를 규명한다.