3次元モデルによる暴走温室状態の数値計算

タイトル

一次元モデル 射出限界を越えた入射があると暴走温室効果 問題点 平衡モデルなので, その後どうなるかわからない 運動を考えることができない. 結果を3次元系に応用できるのか？

3次元モデルで考える 本当に暴走するのか ハドレー循環, 南北熱輸送を考えると 赤道域は積雲対流 = 厚いガラス 亜熱帯は乾いた下降流 = 透明 亜熱帯から射出して平衡状態に達するのでは? 暴走するなら「暴走限界」はどうやって決まるのか 暴走した世界はどんな世界か

モデル設定 swamp ocean …海の簡単モデル化 熱容量=0 (これがポイント) 海の中での熱輸送, 運動は無い. 顕熱, 潜熱フラックスはある. 「業界方言だよね. 論文では使えるけど…(林)」 凝結した水は雲を作らずに速やかに落ちる。雪は降らない 水平格子間隔は1000kmくらい トリックについて GCM だと、パラメタをすこしいじるとプログラム自体が暴走してしまうらしい 「トリック（最上層の減衰）」は、暴走していない場合のシミュレーションでも必要

実験設定 ずっと昼間, 季節変化・年変化は無し. 「丸い蛍光灯の中に地球をつっこんだ様な…(by 石渡)」 自転軸は傾いている 地面アルベド＝０

全球平均値の時間変化 左: 外向き長波放射(OLR) 右: 地表面温度 青: 現在の地球, 緑: 太陽定数が小さい場合 黄: 太陽定数が大きい場合 太陽定数を増大させると, OLR が減少していく.

OLR - 太陽放射の関係 グラフ横軸は平均値なので、太陽定数はこの4倍であることに注意 太陽定数が 1600W/m2 を越えると平衡状態に達しない(赤丸) これは射出限界を意味しているのか?

平衡状態での南北構造 左: OLR の南北分布 右: 表面温度の南北分布 太陽定数を上げると 赤道付近の惑星放射量が頭打ちになる 南北等しく温度が上昇していく(理由は後述) OLR の緯度 30 度付近のピークはハドレー循環と対応. 南北方向の差が小さいならば1次元モデルと比較できるか? Nakajima et al.(1992)では, 吸収係数を暴走温室状態で 300W になるように決めた 「ちょっと小さいらしい。気にしないでね」by 石渡

一次元系との対応 青: 一次元平衡解, 緑・黄・赤は三次元計算. それぞれ相対湿度が40%, 60%, 80% 青丸: 三次元計算の平衡解, 赤丸: 三次元計算での不安定解 青丸が黄色の線にのる -> 射出限界は一次元平衡解と整合的 水蒸気に飽和しているという仮定がまずいのではないか 3次元モデルでは、必ずしも水蒸気に飽和せず、赤道域で相対湿度 60%くらい 相対湿度を考慮することで、3次元モデルと1次元モデルが対応する 3次元モデルはやはり放射限界になっていた

鉛直構造の比較 右: 1 次元平衡解 左: 3 次元計算結果 三次元計算はそれなりに整合的 三次元計算における上層のバラツキの原因は重力波? …よくわからない. by 石渡 「上層のフィルター(計算処方箋, もしくはトリック)の ダークサイドが見えてるんじゃない?by林」

平衡状態の子午面構造 アニメーション画像 (石渡 他 1998, http://www.nagare.or.jp/mm/98/ishiwata/japanese/henka1.htm 図1) 縦軸は表面気圧で無次元化された圧力 ハドレー循環, フェレル循環(低気圧高気圧)は存在 太陽定数を増大させると, ハドレー循環の背が高くなる 緯度 30 度でセルが終るのは, ハドレー循環が角運動量バランスで決まるから. 圏界面の温度はあまり変わらない

平衡状態でのエネルギーフラックス南北分布 左: S1380, 右: S1570 赤色: 惑星放射 茶色: 地表面の正味赤外放射 青色: 凝結フラックス 緑色: 地表面での潜熱フラックス 水色: 地表面での顕熱フラックス 太陽定数が増大すると, 南北温度差が小さくなるのは 温度が高い方が蒸発しやすい(飽和水蒸気量が大きい) 赤道域から中高緯度への水蒸気輸送による熱輸送が発生. 潜熱として輸送と凝結過熱が効くのでは?

降水量の分布: S1380 の場合 アニメーション画像 (石渡 他 1998, http://www.nagare.or.jp/mm/98/ishiwata/japanese/henka1.htm 動画1)

降水量の分布: S1570 の場合 アニメーション画像 (石渡 他 1998, http://www.nagare.or.jp/mm/98/ishiwata/japanese/henka1.htm 動画1) 南北での降水量が増加している. 低気圧（経圧不安定性波動）は、 南北温度差が大きい場合に作られるのだが…? 温度が上がったことで水蒸気を運んでこれるようになったのではないか

暴走温室状態の循環 ハドレーセルが高くなる. 南北温度差はさらに小さくなる(一様にあったまる).

暴走温室状態の存在条件 暴走状態から太陽定数を下げる 現地球の太陽定数でも暴走状態のまま 325 W/m2 が境目 1300/4=325 W/m2 は、ちょうど暴走時の惑星放射量に相当

鉛直温度分布の時間変化 アニメーション画像 (石渡 他 1998, http://www.nagare.or.jp/mm/98/ishiwata/japanese/henka1.htm 図2b)

• 石渡正樹, 中島健介, 竹広真一, 林祥介, 1998: 3 次元灰色大気構造の太陽定数依存性と暴走温室状態. ながれマルチメディア, http://www.nagare.or.jp/mm/98/ishiwata/index_ja.htm
• Ishiwatari, M., S. Takehiro, K. Nakajima, Y.-Y. Hayashi, 2002: A numerical study on appearance of the runaway greenhouse state of a three-dimensional gray atmosphere. J. Atmos. Sci., 59, 3223-3238.
• Manabe, S., J. Smagorinsky, and R. F. Strickler, 1965: Simulated climatology of a general circulation model with a hydrologic cycle. Mon. Weather Rev., 93, 769-798.
• Mellor, G. L., and T. Yamada, 1974: A hierarchy of turbulence closure models for planetary boundary layers. J. Atmos. Sci.,, 31, 1791-1806.
• Nakajima, S., Y.-Y. Hayashi, Y. Abe, 1992: A study on the "runaway greenhouse effect" with a one-dimensional radiative-convective equilibrium model. J. Atmos. Sci., 49, 2256-2266.