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模拟温室气候中的情景洪水

自然体积599，页面74 - 79 (2021）引用这篇文章

主题

摘要

地球遥远的过去和未来可能包括极其温暖的“温室”1气候状态，但很少有人知道在这种状态下大气是如何表现的。温室气候的一个显著特征是，由于水蒸气红外窗口区域关闭，它们具有对流层下部辐射加热而不是冷却的特点2．此前的研究表明，这可能会导致气温逆温和云量的显著变化3.，4，5，6，但以前的温室模式没有直接解决对流尺度的湍流空气运动和云层覆盖，因此留下了许多关于温室辐射加热的问题没有得到解答。在这里，我们进行了明确解决对流问题的模拟，并发现温室气候中的对流层低层辐射加热导致水文循环从准稳定状态转变为“松弛振荡”状态，在这种状态下，降水发生在短暂而强烈的爆发中，中间隔着多日干旱期。向振荡状态的过渡伴随着局部降水通量的强烈增强、云量的大幅增加和一个暂时的正(不稳定)气候反馈参数。我们的结果表明，温室气候可能具有一种“时间”对流自组织的新形式，对云的覆盖和侵蚀过程都有影响。

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图1:由于日晒增加而过渡到弛豫振荡器状态。
图2:LTRH诱导的振荡状态。
图3:由高频模型输出揭示的振荡机制。
图4:弛豫振子对流区概况。

数据可用性

与此工作相关的输入数据文件和云解析模型输出可在Zenodo存储库中获得https://doi.org/10.5281/zenodo.5117529．

代码的可用性

随机两层模型、处理云解析模型输出和生成图形的源代码可在Zenodo的存储库中获得https://doi.org/10.5281/zenodo.5117529．

参考文献

  1. Steffen, W.等。人类纪地球系统的轨迹。美国国家科学院学报。美国115, 8252 - 8259(2018)。

    文章中科院PubMed公共医学中心广告谷歌学者

  2. 华兹华斯&皮埃尔亨伯特2丰富的atm。12,54。J．778154(2013)。

  3. 沃尔夫，E. T. & Toon, O. B.在明亮的太阳下的可居住气候的演化。j .地球物理学。研究大气压。120, 5775 - 5794(2015)。

    文章广告谷歌学者

  4. Kopparapu, R. K.等。利用一般环流模型对低质量恒星同步旋转的行星的宜居带的内边缘。12,54。J．81984(2016)。

  5. Popp, M.， Schmidt, H. & Marotzke, J.过渡到潮湿温室与CO .2和太阳能强制。Nat。Commun．710627(2016)。

  6. 王晓燕，王晓燕，王晓燕。气候变化对二氧化碳敏感性的评价2在地球的历史。j .地球物理学。研究大气压。123, 11861 - 11874(2018)。

    广告谷歌学者

  7. 斯奈德，C. W.过去200万年全球温度的演变。自然538, 226 - 228(2016)。

    文章中科院PubMed广告谷歌学者

  8. 睡眠，n.h.哈底斯-太古代环境。冷泉哈布。教谕。医学杂志．https://doi.org/10.1101/cshperspect.a002527(2010)。

  9. 夏奈尔，B，勒希尔，G，弗鲁托，F，遗忘，F，卡特林，d。早期地球是温暖的还是寒冷的?来自三维气候碳模型的新见解。地球的星球。科学。列托人。474, 97 - 109(2017)。

    文章中科院广告谷歌学者

  10. 皮尔亨伯特(Pierrehumbert)，艾博特(Abbot)，福格特(Voigt)和科尔(Koll)， D.新元古代的气候。为基础。启地球的星球。科学。39, 417 - 460(2011)。

    文章中科院广告谷歌学者

  11. 失控的温室:对未来气候变化、地球工程和行星大气的影响。费罗斯。反式。r . Soc。一个370, 4197 - 4216(2012)。

    文章中科院广告谷歌学者

  12. 柯尔，d.d.b. &克罗宁，t.w.地球的出射长波辐射线性由于H2O温室效应。美国国家科学院学报。美国115, 10293 - 10298(2018)。

    文章中科院PubMed公共医学中心广告谷歌学者

  13. 西雷，j.t. &吉文吉，新罕布什尔州2O窗及CO2散热器翅片:对平衡气候敏感性峰值的晴空解释。地球物理学。卷。48e2020GL089609(2021)。

    中科院广告谷歌学者

  14. 杨，J，考恩，n.b.和阿伯特，D. S.稳定的云反馈极大地扩大了潮汐锁定行星的宜居带。12,54。j·列托人．771给(2013)。

  15. 谢尔盖夫，D. E.等人。大气对流在潮汐锁定的类地系外行星的气候中起着关键作用:来自高分辨率模拟的见解。12,54。J．89484(2020)。

  16. Lefèvre, M.， Turbet, M. & Pierrehumbert, R.温带潮汐锁定系外行星的三维对流分解模型。12,54。J。913101(2021)。

    文章广告中科院谷歌学者

  17. 潮湿大气的干熵预算。j .大气压。科学。65, 3779 - 3799(2008)。

    文章广告谷歌学者

  18. 王,d .威利电气和电子工程百科全书(韦伯斯特编)卷18,396-405(威利，1999)。

  19. 人类基& Letellier, C. Van der Pol和弛豫振荡的历史:走向一个概念的出现。混乱22023120(2012)。

  20. 彭德格斯，夏曼，李永平。大气能量对全球平均降水变化的约束。j .爬。27, 757 - 768(2014)。

    文章广告谷歌学者

  21. Jeevanjee, N. & Romps, D. M.从对流层加深到平均降水的变化。美国国家科学院学报。美国115, 11465 - 11470(2018)。

    文章中科院PubMed公共医学中心谷歌学者

  22. 郭国强，匡众，田勇。冷池触发对流的机理。地球物理学。卷。42, 1943 - 1950(2015)。

    文章广告谷歌学者

  23. Jeevanjee, N. & Romps, D. M.有效浮力、惯性压力和冷池边界层质量通量的机械生成。j .大气压。科学。72, 3199 - 3213(2015)。

    文章广告谷歌学者

  24. 冯政等。AMIE/DYNAMO现场活动期间热带暖洋冷池形成对流云的机制。j .放置模型。地球系统。7, 357 - 381(2015)。

    文章广告谷歌学者

  25. 张国强，张国强。热带边界层冷池碰撞研究。地球物理学。卷。46, 399 - 407(2019)。

    文章广告谷歌学者

  26. 陈晓明，陈晓明。辐射-对流平衡模拟中夹带对热分层的影响。地球物理学。卷。40, 4398 - 4403(2013)。

    文章广告谷歌学者

  27. 为什么热带对流有效位能(CAPE)随变暖而增加?地球物理学。卷。42, 10429 - 10437(2015)。

    文章谷歌学者

  28. 模式气候敏感性的不确定性可追溯至积云降水微物理表征。j .爬。29, 543 - 560(2016)。

    文章广告谷歌学者

  29. 波普，施米特，H.和马洛兹克，J.在阴云柱中启动失控温室。j .大气压。科学。72, 452 - 471(2015)。

    文章广告谷歌学者

  30. Wing, a.a.等。辐射-对流平衡模拟的多模式集合中的云和对流自聚集。j .放置模型。地球系统。12e2020MS002138(2020)。

    文章谷歌学者

  31. 了解辐射-对流平衡模式相互比较项目中气候敏感性的极端扩散。j .放置模型。地球系统．12e2020MS002165(2020)。

  32. 气候敏感性和二氧化碳在有限区域解云模型中的直接影响。j .爬。33, 3413 - 3429(2020)。

    文章广告谷歌学者

  33. 温，伊曼纽尔，霍洛威，C. E.和穆勒，C.数值模拟中的对流自聚集:综述。测量员地球物理学。38, 1173 - 1197(2017)。

    文章广告谷歌学者

  34. 米罗罗，R. E.和Strogatz S. H.脉冲耦合生物振荡器的同步。暹罗j .达成。数学。50, 1645 - 1662(1990)。

    文章MathSciNet数学谷歌学者

  35. 节拍器的同步。点。期刊。70, 992 - 1000(2002)。

    文章广告谷歌学者

  36. 萤火虫同步闪光的生物学研究。自然211, 562 - 564(1966)。

    文章广告谷歌学者

  37. 重力波、补偿沉降和积云周围的降水。j .大气压。Sci．46, 740 - 759(1989)。

  38. 在坚硬的盖子之外:结构大气中的斜压模。j .大气压。科学。74, 3551 - 3566(2017)。

    文章广告谷歌学者

  39. 卡尔森，t.n，本杰明，s.g.和福布斯，g.s.区域强风暴环境中的高架混合层:概念模型和案例研究。星期一天气牧师。．11, 1453 - 1473(1983)。

  40. 舒尔茨，D. M.，理查德森，Y. P.， Markowski, P. M.和Doswell, C. A.美国中部的龙卷风和“气团的冲突”。公牛。点。Meteorol。Soc。95, 1704 - 1712(2014)。

    文章广告谷歌学者

  41. Agard, V. & Emanuel, K. Clausius-Clapeyron在大陆对流风暴环境中CAPE峰值的标度。j .大气压。科学。74, 3043 - 3054(2017)。

    文章广告谷歌学者

  42. 荒川，舒伯特。积云系统与大尺度环境的相互作用，第一部分。j .大气压。Sci．31, 674 - 701(1974)。

  43. 雷蒙德,d .大气湿对流的物理和参数化(史密斯编)387-397(克卢厄学术出版社，1997)。

  44. Melosh, H. J. in行星表面的过程第10章，382-433(剑桥大学出版社，2011)。

  45. 维拉里尼，G，史密斯，J. A，贝克，M. L, Marchok, T.和Vecchi, G. A.与美国登陆热带气旋相关的降雨分布和洪水特征:飓风弗朗西斯，伊万和珍妮的分析(2004)。j .地球物理学。研究大气压．116D23116(2011)。

  46. 格雷厄姆，R. J.和皮尔亨伯特，R.大陆硅酸盐风化的热力学和能量限制强烈影响潮湿、岩石世界的气候和宜居性。12,54。J。896115(2020)。

    文章中科院广告谷歌学者

  47. 降水中的稳定同位素。忒勒斯16, 436 - 468(1964)。

    文章广告谷歌学者

  48. Pausata, F. S. Battisti, D. S. Nisancioglu, K. H. & Bitz, c.m .中国石笋δ18O受控于模拟海因里希事件中印度季风的变化。Geosci Nat。4, 474 - 480(2011)。

    文章中科院广告谷歌学者

  49. Frieling, J.等。古新世-始新世极热期热带浮游生物的极端温热胁迫。科学。阿德．3.e1600891(2017)。

  50. Wing, a.a.等。辐射-对流平衡模型对比项目。Geosci。模型开发。11, 793 - 813(2018)。

    文章中科院广告谷歌学者

  51. 热带降水对全球变暖的响应。j .大气压。科学。68, 123 - 138(2011)。

    文章广告谷歌学者

  52. Clough, S. A.等。大气辐射传输模拟:AER规范综述。j . Spectrosc量化。Radiat。为我国。91, 233 - 244(2005)。

    文章中科院广告谷歌学者

  53. Iacono, M. J.等。长寿命温室气体的辐射强迫:用AER辐射转移模型计算。j .地球物理学。研究大气压。113, 2 - 9(2008)。

    文章中科院谷歌学者

  54. 华兹华斯等人。火星早期温室效应的短暂减少。地球物理学。卷。44, 665 - 671(2017)。

    文章中科院谷歌学者

  55. 一种新的逐行大气环流模型用于模拟不同行星大气:初步验证和在系外行星GJ 1132B上的应用。12,54。J。878117(2019)。

    文章中科院广告谷歌学者

  56. 谢弗，华兹华斯，波塔-汤普森，z和萨塞洛夫，D. GJ 1132b大气成分的预测。12,54。J。82963(2016)。

    文章广告谷歌学者

  57. Clough, s.a, Iacono, m.j. & Moncet, j.l。逐行计算大气通量和冷却速率:应用于水蒸气。j .地球物理学。Res。9715761(1992)。

    文章广告谷歌学者

  58. 戈登，i.e.等人。HITRAN2016分子光谱数据库。j . Spectrosc量化。Radiat。为我国。2033 - 69(2017)。

    文章中科院广告谷歌学者

  59. 参考正向模型(RFM)。j . Spectrosc量化。Radiat。为我国。186, 243 - 253(2017)。

    文章中科院广告谷歌学者

  60. Mlawer, E. J.等。连续吸收MT_CKD模型的进展和最新评价。费罗斯。反式。r . Soc。一个370, 2520 - 2556(2012)。

    文章中科院广告谷歌学者

  61. 克莱尔，m.w.等人。太阳通量从0.1 nm到160 μm的演变:行星研究的定量估计。12,54。J．75795(2012)。

  62. Segura, A.等人。M矮星周围类地行星的生物特征。天体生物学5, 706 - 725(2005)。

    文章中科院PubMed广告谷歌学者

  63. 克鲁格,s . K。傅,Q, Liou, K . n和下巴,H.-N。S.用于热带对流数值模拟的冰相微观物理参数化的改进。j:。Meteorol．34, 281 - 286(1995)。

  64. 林,杨绍明。关铭，Farley, R. D. & Orville, H. D. Bulk parameterization of the snow field in a cloud model.j .爬。达成。Meteorol．22, 1065 - 1092(1983)。

  65. 罗世杰，威洛比，H. E.。参数化冰相微物理在一个轴对称非流体静力热带气旋模型中的作用。j .大气压。科学。41, 2836 - 2848(1984)。

    文章广告谷歌学者

  66. Seeley, j.t, Jeevanjee, N. & Romps, d.m. FAT或FiTT:砧云或对流层顶温度是不变的?地球物理学。卷。46, 1842 - 1850(2019)。

    文章广告谷歌学者

  67. 西雷，j.t，卢茨科，n.j. &基思，d.w.设计CO的放射性解毒剂2．地球物理学。卷。48e2020GL090876(2021)。

    中科院广告谷歌学者

  68. 浅对流中的自然与后天。j .大气压。科学。67, 1655 - 1666(2010)。

    文章广告谷歌学者

  69. Khairoutdinov, M. F. & Randall, D. A. ARM 1997年夏季IOP的云解析建模:模型制定、结果、不确定性和敏感性。j .大气压。科学。60, 607 - 625(2003)。

    文章广告谷歌学者

  70. 湿润非静压数值模型的基准模拟。星期一,天气牧师。130, 2917 - 2928(2002)。

    文章广告谷歌学者

  71. 莫里森，库里，J. A.和赫沃罗styanov . V.一种新的用于云和气候模型的双矩微物理参数化。第一部分:描述。j .大气压。科学。62, 1665 - 1677(2005)。

    文章广告谷歌学者

  72. Cess, R. D.等。19种大气环流模式的气候反馈过程的比较与解释。j .地球物理学。研究大气压。95, 16601 - 16615(1990)。

    文章广告谷歌学者

下载参考

确认

我们非常感谢在这项工作中使用的云解析模型的作者:D. Romps, M. Khairoutdinov和G. Bryan。我们也感谢A. Dudhia与我们分享参考正向模型。我们感谢X. Wei用SAM进行探索性模拟。J.T.S.感谢N. Jeevanjee、A. Match、N. Tarshish和Z. Kuang的讨论。

作者信息

作者和联系

  1. 哈佛大学地球与行星科学系，美国马萨诸塞州剑桥

    雅各布·t·瑟雷和罗宾·d·华兹华斯

  2. 哈佛大学工程与应用科学学院，美国马萨诸塞州剑桥

    罗宾·d·华兹华斯

作者
  1. 雅各布·t·斯利
    看来作者出版物

    您也可以在中搜索这个作者PubMed谷歌学者

  2. 罗宾·d·华兹华斯
    看来作者出版物

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贡献

J.T.S.和R.D.W.设计了这项研究。J.T.S.进行了模拟，分析了结果并准备了数据。手稿由J.T.S.和R.D.W.共同撰写

相应的作者

对应到雅各布·t·斯利．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有竞争利益。

额外的信息

同行审查的信息自然感谢匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构附属的管辖权要求保持中立。

扩展的数据图和表

图1晴空rtm辐射升温率误差采用逐行辐射传递修正。

净(LW+SW;面板一个- - - - - -d),长波(LW;面板e- - - - - -h)和短波(西南;面板我- - - - - -l)由RRTM(黑色)和PCM_LBL(红色)计算的辐射加热速率。加热速率计算湿-绝热温度-压力剖面，表面温度范围为305k到335k，以10-K为增量(列，从左到右)。所有柱的表面压力为101325 Pa，对流层相对湿度为75%，CO为400ppm2，以及160k的等温平流层。值得注意的是，RRTM为较温暖的大气(约20千米高度)计算的不连续升温速率没有出现在PCM_LBL的结果中。

图2 DAM快照的大气顶部辐射通量和升温速率。

（一个- - - - - -c地表温度为305 K的fixedSST_hires DAM模拟快照的出射长波辐射(OLR)，由三种不同的辐射传递代码和近似组合计算。面板(一个)仅来自rtm，小组(b)表示将RRTM的晴空辐射通量与PCM_LBL计算的通量交换的结果，面板(c)显示了将每个柱的晴空辐射通量替换为PCM_LBL计算的水平平均柱的结果，这是与本工作相关的模拟所采用的方法。面板(d)显示此快照的水平平均长波辐射加热速率。（e- - - - - -h如:一个- - - - - -d)，但适用于吸收短波辐射(ASR)。（我- - - - - -p如:一个- - - - - -h)，但对于表面温度为330 K的模拟的快照。

图3振荡跃迁的鲁棒性检验。

两个时期的域平均降水量(一个)平均sst为306.1 K和331.5 K时的FCO2模拟;（b) 305k和330k的固定sst套件;（c) fixedSST_sm套件，该套件使用方法中描述的简化微物理参数化;（d)具有更好水平分辨率的固定海温模拟(Δx= 250;fixedSST_hires)或在更大的域中(lx= 512公里;fixedSST_large)。（e)与大气模拟系统(SAM)的模拟结果相同69在固定海表温度为305及325 k时(f如:e)，但对于云模型1 (CM1)70．

图4平均温度和云量剖面。

从fixedSST模拟，(一个)平均气温及(b)平均云分数(非沉淀云凝结水质量分数大于10的网格单元的百分率−5公斤/公斤)。在(一个)，用阴影表示变异性，表示每个海拔高度的时平均温度±2个标准差。在(一个)，虚线显示的是在330 K时不含沉淀水成物(prevap0)蒸发的模拟得出的平均温度剖面。

图5气候反馈参数的符号反转表示短暂的气候不稳定。

反馈参数λ这里定义为每度地表变暖的大气顶部净辐射通量(TOA)变化的负值(向下为正，因此负反馈表示随着变暖有更多的辐射逃逸到空间，因此气候稳定，正反馈表示气候不稳定;这通常被称为“Cess敏感性”72)．我们使用有限差分在交错表面温度网格上计算反馈，该网格插值固定sst实验的表面温度之间。（一个)实线表示对固定sst模拟的最后100天平均TOA通量计算得到的晴空反馈，而虚线和虚线表示分别使用实际或固定100%相对湿度剖面的模拟的时间平均列计算得到的反馈。（b)如(a)所示，但对于从固定sst实验中得到的分解为长波和短波分量的全天反馈。虚线显示了LTRH_off实验最后50天的净全天反馈，它没有经历稳定到振荡的转变，在所有温度下都保持稳定。（c)固定海温实验中相对湿度(RH)的时间平均剖面，以大气内温度作为垂直坐标，强调在320到325和k之间振荡过渡期间发生的对流层上部相对湿度的增加。由于使用固定相对湿度100%(图a)消除了晴空气候不稳定，我们将晴空气候不稳定归因于对流层上部RH的增加。这会降低光谱发射温度，从而降低OLR。

图6空间分离的子域显示对流的同相脉冲。

Timeseries (一个，c)最低模型水平的湿静能(z= 12.5;均方误差冲浪)和(b，d)的降水速率，在305 K(上行)和330 K(下行)的fixedSST_large模拟的五个不同子域上的平均值。子域(面板e用颜色标注)每个域的面积为256公里2它们之间的距离平均为215公里。

图7对流分解模型和随机双层模型的稳态向振荡转变。

（一个在对流分解模式中，辐射加热剖面在模式日0(瞬变so模拟)由冷气候型转变为温室型(LTRH_off→LTRH_on)。（b)在两层模型中，抑制参数在第0天和第2天之间随时间线性增加，此后保持固定。

图8 6小时局地积雨的概率密度函数(pdf)。

降水数据来自于(一个) fixedSST_large模拟，和(b)稳态和振荡状态下的瞬态so模拟。首先将模型域划分为流域大小的子域(16 × 16 km2固定sst_large, 12 × 12 km2transient_SO)。然后，在20天间隔的所有6小时内，每个子域的降水积累起来，生成构建pdf的6小时局地降水积累。每个pdf文件的99.9个百分位显示在每个图的顶部。

图9用m星谱模拟的气候更容易发生振荡转变。

对流层辐射加热速率的比较一个，b)和地表降水时间序列(面板)c，d)在固定海温模拟中使用太阳星座光谱或m星AD Leonis光谱62．面板(e)显示了这两颗恒星的光谱通量(归一化为相同的总通量)，以及H2参考温度和压力下的O吸收系数。

表1为这项工作进行的DAM模拟套件的关键方面总结
全尺寸表

补充信息

补充视频1

补充视频是一个DAM模型输出的动画，从330 K的固定sst模拟(来自我们的fixedSST_hires套件;视频中的每一帧由六个面板组成，从上到下、从左到右依次显示:近面层浮力、近面层风速、太阳辐射出射、近面层温度异常、近面层比湿异常、过去6小时的累计降雨量。异常按水平平均值和时间平均值计算。帧之间的采样间隔是15分钟，动画覆盖了7天的模型时间。视频也可以在https://youtu.be/NALhYFiaeos．

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模拟温室气候中的情景洪水。自然599, 74 - 79(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03919-z

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