beat3652022级博士研究生宋心仪在杨军老师和Dorian S. Abbot老师的指导下，利用云解析模式SAM探究了极热气候态下的局地间歇性暴雨的发生发展机制，完善了Jacob Seeley 和Robin Wordsworth两人于2021年提出的局地间歇性暴雨机制。研究表明，产生间歇性暴雨的关键因素可能并不是对流层低层正辐射加热率，而更可能是辐射加热率的垂直梯度。间歇性暴雨的发生发展对应对流有效位能(CAPE)与对流抑制(CIN)的周期性震荡。并且，间歇性暴雨在不同情况下的降水周期可以从能量守恒以及对流触发机制两方面进行定量分析得到。相关成果以“Critical Role of Vertical Radiative Cooling Contrast in Triggering Episodic Deluges in Small‐Domain Hothouse Climates”为题，2024年6月18日发表于《Journal of Advances in Modeling Earth Systems, JAMES》。
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当地表温度升高至320 K以上，气候变得又湿又热，仿佛在桑拿房中一样，这种气候也被称之为“桑拿气候态”（hothouse climate）。 地球在太古宙时期、以及冰雪地球消融后期，都可能经历过桑拿气候态。在遥远的将来，随着太阳辐射的增强，地球可能进入失控温室状态，再次经历桑拿气候态。对于现代地球而言，在短时间尺度上，局地区域也有可能超过320 K以上。对于众多的系外行星，肯定不缺乏这种桑拿气候态。
Jacob Seeley 和Robin Wordsworth在2021年发表于《自然》（Nature）的文章显示，局地小范围的云解析模拟中，桑拿气候态下的降水与现代地球气候态下的降水显著不同，呈现“间歇性暴雨”的特征：连续数日的干旱与几小时的高强度暴雨交替出现。这种特殊的周期性降水行为，是非常新奇的，因为通常情况下的小范围模拟降水是湍流的、杂乱无章的。降水强度影响地表风化过程，进而影响碳酸盐岩-硅酸盐岩循环，对行星的气候及其宜居性有着至关重要的作用。
前人的研究认为，桑拿气候态下对流层低层水汽温室效应增强，同时对太阳辐射的吸收加强，使得对流层低层呈现净的辐射加热效应（见图1a, b）。辐射加热抑制对流层低层的对流，隔断了边界层和上层大气的耦合。对流层高层的降水无法到达地面，雨滴在对流层下层再次蒸发，直至打破抑制，触发强对流，产生剧烈降水。降水过后，辐射加热继续抑制对流层低层的对流，直至触发下一次强降水（见图1e-f）。
图1. a, b: 不同地表温度下的辐射加热率廓线以及地表降水序列。e-f: 前人提出的间歇性暴雨机制。地表温度为325 K的时间-高度二维模拟结果，包括上升气流(c)、大气降水(d)、潜热释放(e)和地表降水(f)。图片引自Seeley and Wordsworth, Nature 2021.
首先，我们进行了一组极夜试验，该试验中关闭短波辐射，只留下长波辐射。我们的极夜模拟试验结果显示，在地表温度为330 K的情况下，即使没有太阳入射和短波辐射过程、仅保留长波辐射过程，对流层中下层的净加热作用在极夜情况下消失，间歇性暴雨依旧会出现（见图2）。这一模拟结果说明，对流层低层的净加热并非触发间歇性暴雨的关键因素，前人提出的间歇性暴雨的机制还需修正与完善。那么，触发间歇性暴雨的关键驱动因素究竟是什么呢？
图2. 极夜模拟下的加热率廓线(a), 地表降水(b), 降水通量(c)和潜热释放(d)。极夜情况下，即使没有短波辐射过程，没有对流层低层辐射加热，间歇性暴雨依旧发生。
本项工作采取水平分辨率为2 km、固定地表温度为325 K的模式设置，将加热率廓线分为对流层低层、对流层高层、平流层三段（图3a），固定加热率廓线使之不随时间变化，探究不同加热率廓线对降水的影响。我们共进行23组模拟，下图3展示了其中的6组。
模拟结果表明，即使对流层低层加热率为负值，呈现净的冷却效应（图3中G3），也可以产生间歇性暴雨。对全部23组模拟结果进行统计发现，当对流层上层冷却率为对流层下层冷却率2倍以上时，才会产生间歇性暴雨。因此，辐射加热率的垂直对比度可能才是产生间歇性暴雨的关键。
图3. 固定平流层与对流层上层加热率，改变对流层低层加热率对间歇性暴雨的影响。对流层低层顶部高8 km，加热率分别为0.2，0，− 0.2，− 0.5，− 0.8，− 1.2 K/day；对流层上层加热率为− 1.5 K/day；平流层底部的高度为35 km。
辐射加热率的垂直对比度是如何触发间歇性暴雨的？我们提出了一个循环机制，如下图4所示：在降水极少的抑制期，对流层上层的强冷却作用使得环境温度廓线向减温率更大的方向发展，积累对流有效位能（CAPE），削弱对流抑制（CIN）；当CIN被削弱到不能再抑制对流时，模式中的大部分格点触发强对流、产生强降水；降水期间的垂直调整使得CAPE在降水结束后变小，CIN在降水结束后增强，从而在绝大部分格点中抑制对流；在抑制期，对流层上层的强冷却继续积累CAPE、削弱CIN，直到触发下一次强对流，如此循环，形成间歇性暴雨。
图4. 间歇性暴雨机制示意图。黑色线代表气团温度廓线，红色线代表环境温度廓线。白色虚线代表对流层低层与对流层高层的分界线，蓝色箭头指向发展过程的下一步。
论文第一作者为宋心仪，通讯作者为杨军，芝加哥大学Dorian S. Abbot为本文合作者。本研究受到国家自然科学基金委资助。
论文原文链接：https://doi.org/10.1029/2023MS003912
