[论文解读] 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)|May 2, 2016

Climate variability and models被引用 10

一句话总结

本文提出一个概念性箱体模型，将全球变暖下陆地比湿的下降与陆地-海洋温度对比及水汽输送联系起来。结果表明，陆地相对于海洋的更强变暖驱动了比湿的下降，其中关键反馈通过温湿耦合动力学放大了变化，解释了为何蒸散发在比湿变化中作用较小，却在相对湿度下降中扮演更重要的角色。

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.

研究动机与目标

• 解释全球变暖下陆地相对湿度显著减少的模拟结果，与海洋上微小增加形成对比。
• 解决对陆地相对湿度变化缺乏机制性理解的问题，尤其是基于海洋能量平衡的解释在陆地上不适用的原因。
• 量化从海洋向陆地的水汽输送以及陆地地表温度变暖在驱动相对湿度变化中的作用。
• 研究陆地表面温度与相对湿度变化之间的反馈及其放大效应。
• 评估蒸散发与大尺度水汽输送在决定陆地相对湿度趋势中的相对重要性。

提出的方法

• 构建一个包含两个储水库（陆地和海洋边界层）的概念性箱体模型，通过水汽输送连接。
• 采用水汽平衡框架，将陆地比湿的变化与海洋比湿变化及蒸散发通量联系起来。
• 将该模型应用于理想化情景和CMIP5全球气候模型（GCM）模拟，以检验其预测能力。
• 利用公式 $ \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}}^{*}} $ 对相对湿度变化进行分解，分析来自海洋水汽输送和局部蒸散发的贡献。
• 分析表面温度与相对湿度变化之间的反馈，表明当考虑温度变化时，相对湿度响应可被放大高达2.5倍。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了全球变暖下陆地与海洋在相对湿度响应上的显著对比，即陆地下降而海洋微增？
• RQ2 陆地-海洋温度对比如何通过水汽输送动力学影响陆地相对湿度的变化？
• RQ3 蒸散发变化与海洋水汽供给在多大程度上共同决定了陆地相对湿度趋势？
• RQ4 表面温度与相对湿度变化之间的反馈如何放大对强迫（如气孔导率降低或土壤湿度变化）的响应？
• RQ5 一个简单的箱体模型能否捕捉复杂GCM模拟中相对湿度变化的关键特征？

主要发现

• 概念性箱体模型成功再现了CMIP5 GCM中模拟的陆地相对湿度下降，特别是陆地-海洋对比特征。
• 模型表明，陆地变暖强于海洋是导致陆地相对湿度下降的主要原因，这归因于饱和比湿的更快增长。
• 蒸散发在决定陆地比湿变化中作用次要，但在驱动相对湿度下降中作用更为显著。
• 表面温度与相对湿度变化之间存在强烈反馈，当考虑温度变化时，相对湿度变化的响应可能被放大高达2.5倍。
• 在控制气候温度足够高的情况下，陆地相对湿度变化的大部分源于温度变化的诱导效应，而非比湿的直接变化。
• 该模型表明，陆地上比湿变化的分数梯度（$\delta q/q$）——这对降水减去蒸散发的响应至关重要——需要在超越箱体模型假设的框架下进一步研究。