[论文解读] 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 33

一句话总结

本文研究了水汽凝结潜热释放对不同气候条件下全球大气环流的影响，揭示了由于动力反馈作用，哈德利环流和中纬度扰动等环流强度在更暖和更冷的气候中均可能减弱。利用理想化大气环流模型，研究发现水汽通过改变大气静力稳定性，导致气候动力学出现非单调变化，挑战了全球变暖导致环流单调增强的传统假设。

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.

研究动机与目标

• 理解水汽在不同气候连续体中对全球大气环流的动态作用。
• 探究为何大气环流统计量（如哈德利环流强度和中纬度扰动动能）在更暖和更冷气候中可能弱于当前气候。
• 考察潜热释放如何影响大气静力稳定性与环流型态，特别是其对经向热量和动量输送的影响。
• 通过分析一系列地表温度下的模拟结果，约束气候变迁的宏观规律，避免依赖当前气候的波动。
• 解决湿润与干燥大气中副热带与中纬度静力稳定性缺乏统一理论的问题。

提出的方法

• 使用理想化大气环流模型（GCM）模拟全球平均地表温度的连续变化范围。
• 在湿对流中应用准平衡假设，即对流调整维持热带区域的湿球绝热直减率。
• 分析能量与动量收支，将潜热释放与静力稳定性及环流强度变化相联系。
• 利用可降水量与垂直质量通量作为大气水汽与上升运动的指标，追踪其对地表温度变化的响应。
• 分析经向动量平衡与扰动通量，以理解哈德利环流强度与风暴轴位置的变化。
• 比较干静力能与湿静力能通量，评估总经向能量输送及其非单调行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同气候状态下，平均经向环流与扰动动量通量如何共同控制哈德利环流强度？
• RQ2 哈德利环流宽度由哪些因素决定，包括经向温度梯度、比湿与静力稳定性？
• RQ3 潜热释放能否直接驱动中纬度扰动，还是主要通过改变大尺度大气状态起作用？
• RQ4 气候变暖如何控制风暴轴的极向移动？
• RQ5 副热带与中纬度对流层静力稳定性由何控制，特别是在湿润与干燥气候中？

主要发现

• 由于扰动动量通量与静力稳定性的非单调变化，哈德利环流强度在远比当前气候更暖或更冷的气候中可能更弱。
• 中纬度扰动动能（风暴活动的度量）在更暖与更冷气候中均减弱，尽管可降水量增加，这是由于经向温度梯度减小与静力稳定性增强所致。
• 热带总上升质量通量不一定会随变暖而减少，其变化取决于降水与湿球绝热静力稳定性的变化，而这些变量的变化速度慢于可降水量。
• 潜热经向输送随变暖而增加，但干静力能输送可能非单调变化，导致总经向能量输送呈现非单调行为。
• 副热带与中纬度的静力稳定性在更暖与更冷气候中均增强——在暖气候中由增强的潜热输送驱动，在冷气候中由更强的经向温度梯度驱动——共同导致环流减弱。
• 本文识别出在气候均一性较强的条件下，地表-赤道温度对比可能存在的最小极限，该结论由总能量输送的非单调变化所暗示。