[論文レビュー] Water vapor and the dynamics of climate changes

Tapio Schneider, Paul A. O’Gorman+1 more|Aug 30, 2009

Climate variability and models参考文献 79被引用数 33

ひとこと要約

本稿は、水蒸気がさまざまな気候状態において大気循環に与える顕熱放出の影響を調査し、動的フィードバックの結果、ハドレー渦や中緯度の乱流など循環強度が温暖化時および冷却時の両方で弱まることが明らかになった。簡略化された一般循環モデルを用いて、水蒸気が静的安定性をどのように変化させるかを示し、気候力学における非単調な変化が生じることを示した。これは、温暖化に伴う循環応答が単調であるという仮定に反する。

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.

研究の動機と目的

• 連続的な気候スケールの範囲で、水蒸気がグローバル大気循環をどのように形作るかの動的役割を理解すること。
• 現在の気候よりも温暖化時および冷却時において、ハドレー渦の強度や中緯度乱流の運動エネルギーといった大気循環統計量が弱くなる理由を調査すること。
• 顕熱放出が緯向熱輸送および運動量輸送に与える影響を通じて、大気の静的安定性および循環パターンに与える影響を検討すること。
• 現在の気候の揺らぎに依存しないように、表面温度のスケールにわたるシミュレーションを分析することで、気候変化を支配する巨視的法則を制約すること。
• 湿った大気と乾燥大気における亜寒帯および中緯度の静的安定性を統一的に説明する理論の欠如に対処すること。

提案手法

• 表面温度の連続的変化をカバーする、簡略化された一般循環モデル（GCM）を用いたシミュレーション。
• 湿った対流における準平衡仮定の適用。熱帯では対流調整によって湿bulb-adiabatic勾配率が維持される。
• エネルギー収支および運動量収支の分析により、顕熱放出が静的安定性および循環強度の変化に与える影響を関連付ける。
• 大気中の水分および上昇気流の指標としての降水量当量および垂直質量フラックスを用い、表面温度変化に対するそれらの応答を追跡する。
• ゾナル運動量収支および乱流フラックスの検討により、ハドレー循環強度および低気圧帯位置の変化を理解する。
• 乾燥静的エネルギー輸送と湿った静的エネルギー輸送の比較により、緯向エネルギー輸送全体の非単調的挙動を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均緯向循環と乱流運動量フラックスの変化が、異なる気候状態においてハドレー循環強度をどのように共同で制御するか。
• RQ2 緯向温度勾配、比湿、静的安定性と関連して、ハドレー循環の幅は何かによって決定されるか。
• RQ3 顕熱放出が直接的に中緯度乱流を駆動できるのか、それとも主に大規模大気状態を変化させることによって間接的に影響を与えるのか。
• RQ4 気候温暖化に伴い低気圧帯が極方向にどのようにシフトするかを制御する要因は何か。
• RQ5 特に湿った気候と乾燥気候において、亜寒帯および中緯度対流圏の静的安定性を支配する要因は何か。

主な発見

• ハドレー循環の強度は、現在の気候よりもはるかに温暖化時および冷却時において弱くなる。これは、乱流運動量フラックスおよび静的安定性の非単調的変化に起因する。
• 中緯度乱流運動エネルギー（嵐の激しさの指標）は、降水量当量が増加するにもかかわらず、温暖化時および冷却時において減少する。これは、緯向温度勾配の低下および静的安定性の増加に起因する。
• 熱帯の総上昇質量フラックスは、温暖化に伴って必ずしも減少しない。これは、降水量および湿bulb-adiabatic静的安定性の変化が、降水量当量の変化よりも遅い速度で変化するためである。
• 極方向の顕熱フラックスは温暖化に伴い増加するが、乾燥静的エネルギーフラックスは非単調的に変化するため、緯向エネルギー輸送全体も非単調的になる。
• 亜寒帯および中緯度における静的安定性は、温暖化時および冷却時の両方で増加する。温暖化時では顕熱輸送の強化、冷却時では強い緯向温度勾配の両方が寄与し、循環の弱体化に寄与する。
• 本稿では、均質的気候（equable climates）において、極-赤道温度差がどれほど小さくなるかの限界が、非単調的エネルギーフラックス変化の兆候から示唆される可能性がある。