Energi Tepi Awan Menyesuaikan dengan Rata-rata Troposfer Jenuh Terlepas dari Keadaan Iklim

Abstrak
Kendala integral skala besar pada perilaku awan dapat memandu representasi yang lebih tepat dalam iklim saat ini dan masa depan. Kami menunjukkan secara teoritis bahwa energi statis lembap rata-rata di tepi awan hampir setara dengan energi statis jenuh rata-rata dari seluruh domain atmosfer, baik untuk tingkat tertentu atau untuk troposfer berawan secara keseluruhan. Simulasi model numerik dari medan awan konvektif dalam menunjukkan kesetaraan ini berlaku pada rentang 10 K dalam suhu permukaan laut. Kendala tersebut menawarkan metode sederhana untuk memperkirakan tingkat rata-rata daya apung netral konvektif, yang naik secara linear dengan energi udara permukaan laut. Simulasi menunjukkan kendala kedua yang menarik, bahwa deviasi maksimum profil energi statis jenuh dari nilai rata-rata troposfernya setara dengan energi rata-rata troposfer dari defisit saturasi.

Poin-poin Utama

• Rata-rata, energi statis lembap di tepi awan mendekati energi statis jenuh di wilayah atmosfer.
• Dalam simulasi numerik, kesetaraan ini berlaku terlepas dari suhu permukaan laut.
• Terdapat hubungan linier antara energi udara di permukaan laut dan tingkat daya apung rata-rata awan.

Ringkasan Bahasa Sederhana
Laju perubahan iklim tidak pasti, sebagian besar disebabkan oleh kesulitan dalam menggambarkan bagaimana awan akan merespons peningkatan suhu global. Awan bersifat kompleks, terutama pada skala kecil yang tidak dapat dipecahkan oleh model iklim global. Kami menunjukkan bahwa cukup mengetahui profil suhu atmosfer untuk menentukan tinggi dan energi rata-rata awan. Profil suhu di dunia yang lebih hangat relatif mudah diprediksi, sehingga hasilnya menunjukkan kendala baru tentang bagaimana awan akan berperilaku di masa mendatang.

1 Pendahuluan
Suhu atmosfer global diperkirakan akan meningkat dengan akumulasi konsentrasi gas rumah kaca, tetapi mengukur besarnya efek radiasi awan (CRE) yang berubah tetap menjadi hambatan untuk kuantifikasi yang akurat (Ceppi et al., 2017 ; Gasparini et al., 2023 ; Raghuraman et al., 2024 ; Sherwood et al., 2020 ). Sebagian besar, tantangannya adalah bahwa proses dinamika awan mencakup skala temporal dan spasial yang begitu luas, termasuk yang jauh lebih halus daripada yang dapat dengan mudah diselesaikan (Barrett et al., 2019 ; Sokol et al., 2024 ). Membantu memandu prediksi adalah “kendala integral” klimatologis yang mewakili kontribusi total variabel kekal yang terkait dengan fisika yang lebih kecil dan lebih cepat. Kendala ini beroperasi pada skala waktu dan ruang yang relatif besar sehingga membuatnya relatif mudah untuk dideskripsikan atau diprediksi (Feingold & Koren, 2023 ). Contohnya meliputi simetri antar hemisfer yang diamati dalam albedo planet (Datseris & Stevens, 2021 ), pemaksaan radiasi mendekati nol bersih oleh awan tropis (Hartmann & Berry, 2017 ), dan sensitivitas lemah suhu awan landasan terhadap pemanasan permukaan (Hartmann & Larson, 2002 ; Zelinka & Hartmann, 2010 ).

Tepi awan, batas yang memisahkan awan dari langit cerah yang dievaluasi dalam lapisan horizontal, juga dapat ditunjukkan mengikuti kendala integral. Dibandingkan dengan area awan, perimeter awan memberikan dampak radiasi langsung yang minimal, jika tidak nol, pada atmosfer (Schäfer et al., 2016 ). Namun, mereka memainkan peran tidak langsung dengan berfungsi sebagai antarmuka tempat udara lembap dan berawan berenergi tinggi bercampur dengan udara kering dan cerah berenergi rendah untuk menentukan profil suhu troposfer rata-rata (Bao et al., 2021 ; Romps & Kuang, 2010 ). Dalam lapisan horizontal, perimeter total dari ansambel awan menentukan laju pencampuran antara awan dan udara cerah, dan dengan demikian profil suhu itu sendiri (Garrett et al., 2018 ). Akibatnya adalah bahwa hukum pangkat menentukan distribusi ukuran awan sebagai fungsi perimeternya yang mencakup rentang skala yang sangat luas. Eksponen hukum daya ditetapkan dalam banyak skala besaran (Wood & Field, 2011 ), dan sedikit bervariasi tergantung pada garis lintang, jenis permukaan, atau musim (DeWitt et al., 2024 ).

Secara umum, Arakawa ( 2004 ) merekomendasikan bahwa setiap parameterisasi awan harus didasarkan pada hipotesis yang dapat diuji dengan jelas, tidak memengaruhi kendala integral, dan mungkin yang paling penting, merujuk pada fisika daya apung. Dalam semangat ini, kami mengidentifikasi di sini kendala integral baru untuk awan. Paket udara yang terletak di tepi awan memiliki energi rata-rata yang mendekati energi rata-rata horizontal dari lapisan troposfer yang dievaluasi pada saturasi. Lapisan seperti itu dapat mencakup troposfer berawan yang diambil secara keseluruhan. Meskipun derivasi kendala agak sepele, sejauh pengetahuan kami hal itu belum pernah dinyatakan sebelumnya. Kami menjelaskan simulasi penyelesaian awan numerik yang dijalankan pada keseimbangan radiatif-konvektif untuk mendukung kendala tersebut, menunjukkan bagaimana hal itu menyediakan jalan pintas untuk mengidentifikasi tingkat awan daya apung netral, dan bahwa hal itu bekerja dengan baik untuk kisaran suhu permukaan laut (SST) yang ditentukan 10 K.

2 Keseimbangan Energi Total dan Stabilitas di Tepi Awan

Catatan. Total energi dinormalisasi oleh
dan dinyatakan dalam satuan K. Perhatikan hipotesis CEASE
.