我系2017级本科生宋祁钰与2016级本科生罗航在杨军老师指导下，利用高分辨率云解析模式SNAP和全球大气环流模式CAM3，研究了潮汐锁相系外宜居行星的云和大气环流及其对海表温度和长波辐射的响应。研究指出，大气环流的主要特征是星下点附近区域的深对流和全球尺度的沃克环流，并可以由不同区域大气的热力性质差异定性解释。两种模式的结果定性大致一致，但存在较大的定量差异、有时也存在定性上的差异。
相关成果以“Idealized 2D Cloud-resolving Simulations for Tidally Locked Habitable Planets”为题发表在2022年8月2日的杂志《The Astrophysical Journal》上。论文链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac7879
围绕 M 和 K 矮星的潮汐锁相（这里指同步旋转，即自转周期等于公转周期）类地行星是寻找地球以外潜在宜居世界的最有可能的候选者。由于其存在永久不变的昼半球和夜半球，因而出现昼半球高温、夜半球低温的表面温度分布特征。受此激发，其昼半球被深对流云覆盖，而夜半球大尺度下沉区则被低的层云覆盖，二者通过全球尺度的大气翻转环流相连接，即全球尺度的沃克环流。
云对于行星气候和宜居性至关重要，但也同时是研究行星气候最具挑战性的方面之一。传统的全球大气环流模式（GCM）分辨率较低（水平方向数百公里），需要采用对流和云的参数化方案。这些参数化方案是基于对地球大气的观测，但可能并不适用于系外行星。因此，本研究中我们采用高分辨率（水平方向2公里）的云解析模式（CRM），从而对云进行显式的模拟。模拟的区域是二维的（经度-高度），在水平方向环绕赤道一周，因此可以一致地研究云、对流和大尺度环流之间的相互作用。随后，我们将CRM结果与GCM结果进行了比较。
在云解析模拟中，我们使用了固定的地表温度分布和空间均匀的长波辐射减温率作为气候驱动力。模拟结果清晰地展现了全球尺度沃克环流的特征，同时可以观察到对流区域内部的细节特征：单个对流羽流的水平空间尺度约10公里，而相邻对流羽流的距离约数百公里，直到对流层高层的辐散区，对流羽流的云砧融合在一起，形成更为均一的高云（图1：点击图片，可观看视频）。
图1：云水含量空间分布。(a)展示全部模拟区域，(b)展示星下点（x=0）附近区域。晨昏线位于x=±10,000 公里处。
我们随后通过三组试验，分别研究了云和大气环流对于均匀升高表面温度、减小昼夜半球表面温差和增强长波辐射的响应。结果表明，均匀升高表面温度导致星下点对流云变窄，但昼夜半球表面温差的减小或长波辐射减温率的增强导致星下点对流云变宽（图2）。
图2：不同环境设置对云水路径（左栏）和降雨（右栏）的影响。(a)-(b)：均匀升高表面温度；(c)-(d) ：减小昼夜半球表面温差；(e)-(f) 增强长波辐射减温率。
这些变化可能可以由大气各处的湿静能（MSE）差异来解释（图3）。MSE在垂直运动中近似守恒。因此，MSE 的垂直廓线可能可用于推断对流强度：垂直不变的 MSE 廓线代表热力学中性的大气层结；当自由大气中的MSE低于近地面时，对流趋于发展以释放大气的不稳定性；反之，若近地表MSE低于自由大气，大气则趋于稳定。由于地表温度差异，星下点区域的近地表大气MSE比夜半球高。基于对流准平衡假设，对流区域大气近乎中性层结，因此此区域自由大气的 MSE 也较高。进而，高层大气满足弱温度梯度（WTG）近似，故对流层高层大气的MSE水平梯度很小。因此，夜半球的MSE出现逆温结构，对流层上层的值远高于近地表的值。这种稳定层结从夜半球延伸越过晨昏线，并占据了昼半球的大部分区域，阻碍相应区域对流的发展。
图3：具有大尺度环流情况下，对流发生的控制机制示意图
当均匀升高表面温度时，由于饱和水汽混合比与温度的e指数关系，近地表MSE的水平差异增大，使得非对流区对流抑制强度增大，从而导致对流区域收缩。当减小昼夜半球表面温差时，近地表MSE水平梯度减小，从而得到相反的趋势。当增强长波辐射减温率时，大气的热力学性质几乎保持不变，但需要更多的潜热释放以及能量的水平平流来平衡长波冷却，所以大气环流强度和对流强度均需要增强（图4）。
图4：三组实验的垂直廓线。左列显示 MSE 廓线，中列显示温度廓线，右列显示水汽混合比廓线。实线为星下点附近区域的平均值（代表沃克环流的上升支），虚线为夜半球的平均值（代表下降支）。(a)–(c) 均匀改变表面温度；(d)–(f) 改变昼夜半球表面温差。(g)–(i) 改变辐射减温率。
此外，我们通过分析在不同大气层结稳定性和辐射强度下，辐射驱动的高层辐散强度变化，解释了云砧宽度在三组试验中的变化。云砧宽度随着地表温度的均匀升高而缩小，随昼夜半球温差的减小或辐射冷却速率的增加而增大。
随后，我们使用CAM3对潮汐锁相类地行星进行了多组模拟试验，从而将CRM结果与GCM结果进行比较。第一部分的GCM试验中我们仿照CRM试验，没有包含行星旋转（科氏力）的作用，研究了不同的固定海表温度下大气环流的变化。第二部分GCM试验中包含了旋转的影响，在研究不同的固定海表温度下的大气环流变化以外，还耦合了平板海洋来研究不同强度的入射恒星辐射对环流的影响。相关结果汇总在表1中。
表1：不同试验中对流云和环流上升区域对于试验条件的响应。CWP指云水路径，⇑和⇓表示显著增加或减小，↑表示略有增加， - 表示几乎没有变化。蓝色箭头表示相应的演变趋势在不同类型模式之间是相反的。
此外，我们还讨论了不同行星自转速率、非空间均匀的辐射冷却率、不同的边界层摩擦和部分微物理参数对于结果的影响。
我们的研究表明，二维CRM试验结果与相应的三维GCM 试验结果大体相似。尽管存在一些定量差异。在针对于入射恒星辐射增强时云的定性变化趋势这一课题中，我们的结果增强了在系外行星气候研究时使用GCM的信心。下一步的研究中，需要使用具有真实辐射传输和科里奥利力的三维 CRM 来进一步研究潮汐锁相行星的云和气候。
论文的第一作者是宋祁钰同学，通讯作者是杨军，其他合作者有罗航同学、密西根大学的李成老师和福建师范大学的付仕佐老师。宋祁钰同学目前在哈佛大学攻读大气科学博士学位。本研究工作得到国家自然科学基金委面上项目与国际合作项目的资助。
本研究中使用的云解析模式是由李成老师开发的Simulating Nonhydrostatic Atmospheres on Planets (SNAP)，相关说明文档见https://snap.chengcli.io/。
