地球大气与气候模拟已经进入10-100公里网格的全球高分辨率时代，可以较好地模拟台风等中小尺度系统。倘若将这种全球高分辨率模拟应用于系外行星，会得到怎样的结果呢？最新发表在Nature Astronomy杂志上的一篇文章“全球高分辨率模拟下潮汐锁相岩石行星上的云特征”（Cloud Behaviour on Tidally Locked Rocky Planets from Global High-resolution Modeling）显示：潮汐锁相行星的向阳面可以形成很强的深对流与云，这种云对行星表面起到显著的降温效应，从而可以提高行星宜居性、扩宽行星宜居带。文章还发现这类行星的对流云中存在公里尺度的云街（cloud streets）。该工作首次将系外行星气候模拟的空间分辨率从～100公里提升到～2-4公里。论文作者依次为北京大学物理学院大气与海洋科学系杨军、张一啸、付遵涛、闫明羽、宋心仪、魏梦宇、刘伽晨、丁峰和普林斯顿大学谭志宏。
1995年，第一颗围绕类太阳恒星公转的太阳系外行星 （简称“系外行星”）51 Pegasi b被发现，这是一个划时代的事件。这以后，每年累计确认的系外行星数目呈e指数增加。截至目前，已经发现了5400多颗系外行星。然而，仅仅探测到系外行星是远远不够的。我们需要知道行星的大气与环境特征，从而进一步确定哪些行星的表面可以维持液态水存在、是可能宜居的。系外行星大气与气候研究对于理解各种行星的环境与宜居性特征至关重要。
目前对系外行星的观测信息量还太少，尤其是与地球大小接近的类地行星。现有的望远镜只能观测体积是地球10-1000倍左右的类木行星和迷你海王星的温度和大气成分，还无法测量地球大小行星的温度和大气。然而，行星大气与气候的理论和数值模拟在这方面能够发挥其特有的优势，可以模拟各种不同行星在不同环境下的可能气候，进而预估行星的宜居性，帮助宜居行星探测锁定目标，节省搜寻时间和经济成本，为找到“第2个地球”提供科学支撑。
图1. 围绕红矮星公转的潮汐锁相行星示意图。源自: astronomy.com
潮汐锁相行星是一类特殊而又普遍存在的系外行星（图1）。其特殊性在于这类行星的自转周期基本等于公转周期，类似于月球与地球的轨道关系，行星一面永远对着恒星，一面永远背离恒星，因此只有一面永远接收到阳光，另一面永远处于黑夜之中。其普遍性在于这类行星很多，基本都是围绕红矮星公转的。红矮星的体积比太阳小、温度比太阳低，表面温度只有2000-3000 K左右，这类恒星的寿命很长，银河系中70%以上的恒星都是红矮星，而不是太阳这类恒星。目前的系外行星搜寻中，重点目标之一就是要搜寻红矮星周围的、与地球大小类似的、可能宜居的行星。
图2. 潮汐锁相行星上的大气环流、对流与云（a），前人估算的液态水宜居带范围（b，绿色区域）和我们估算的液态水宜居带范围（c）。
北京大学物理学院大气与海洋科学系长聘副教授杨军及其合作者自2013年开始研究潮汐锁相行星上的对流与云。通过理论分析与数值模拟研究发现：（1）由于阳光一直照射向阳面，地面温度较高，所以在向阳面容易形成深对流；（2）向阳面的近地面气压要小于背阳面，因此存在强辐合气流从背阳面吹向向阳面，也有利于深对流的发生发展。于是，潮汐锁相行星的向阳面存在高强度热空气上升，在临近区域和背阳面有大范围冷空气下沉。高温地表和辐合气流是形成强对流的两个重要条件，高温有利于垂直不稳定发生，辐合气流有利于动力抬升和水汽输入。对流区域容易形成云，于是在向阳面星下点区域形成大面积、深厚对流云（图2a）。云层把阳光反射回太空，提高行星反照率，对行星表面起到显著的降温作用，犹如给整颗行星增加一个巨大的遮阳伞（Yang, Cowan, Abbot 2013, ApJL）。因此，行星液态水宜居带内边界要往恒星方向移动，整个宜居带的宽度是原来的约1.5-2倍（图2b-c）。
这种特殊的对流与云及其气候效应，不但适合于潮汐锁相行星，而且可以应用于非潮汐锁相的慢速旋转行星，如金星。对于慢速旋转行星，其星下点移动缓慢，白天的长度可以达到几十个到几百个地球日。因此，慢速旋转行星的星下点也可以形成强对流云，这种云的短波反射很强，对地面可以起到强冷却效应，于是将宜居带的内边界往恒星方向扩展，增加了行星宜居的可能性（Yang, Boue, Frabrycky, Abbot 2014, ApJL; Yang & Abbot 2014）。
与地球气候研究类似，系外行星气候探究中最大的未知因素之一就是“云”，因为云既牵涉到微米尺度的物理过程，又涉及到千公里尺度的动力过程。由于现有望远镜还无法观测到系外行星上云的成分和结构，只能通过理论分析和数值模拟来提高相关认知。为了探究模拟结果的鲁棒性，杨军及其合作者组织了一个小型系外行星模拟比较计划，采用几个不同的模式（CAM3, CAM4, CAM4_Wolf, AM2, LMDG）来同时模拟一颗潮汐锁相行星。这些模拟都采用相同的边界条件、背景大气气压和温室气体浓度。结果显示：这些模式都能够模拟得到潮汐锁相行星上的深对流与云，但是不同模式得到的行星反照率存在明显差异。主要原因是水汽辐射传输方面的差异和云对流参数化方案方面的差异，然而不同模式动力框架和水平分辨率造成的差异很小(Yang et al. 2016, 2019, ApJ; Zhang & Yang 2020, ApJL; Wei, Zhang, Yang 2020, ApJ)。
自从潮汐锁相行星上的深对流与云被模拟发现之后，国际上几个行星气候小组（NASA GISS、牛津大学、科罗拉多大学、法国LMD、英国埃塞克大学等）纷纷使用各自开发的气候模式重复了相关试验。模拟结果都得到相同的结论：星下点附近存在大面积强对流云，虽然不同模式的模拟结果有显著差异（Kopparapu et al. 2016, 2017; Turbet et al. 2016; Wang et al. 2016; Boutle et al. 2017; Wolf et al. 2017, 2022; Zhang et al. 2017; Bin et al. 2018; Way et al. 2018; Del Genio et al. 2019; Lefèvre et al. 2021; Sergeev et al. 2020, 2022; etc.）。
为了进一步提高这方面的模拟能力和认知深度，探明云参数化方案的影响，杨军及其合作者自2019年开始采用非静力平衡、高分辨率的云容许模式（Cloud-permitting model, CPM）和云解析（Cloud-resolving model, CRM）模式来进一步探究这一问题。首要目的就是想探究高分辨率云模拟是否可以能够得到更为真实的云和更加清晰的时空结构，其次是可以帮助判断GCMs模拟的对流与云是否存在较大的问题。
通过改进云解析模式（SNAP和SAM）和模拟方法，杨军课题组成员成功将高分辨率的云解析模式应用到潮汐锁相行星的全球气候模拟中。模拟试验基本验证了之前的研究结果：潮汐锁相行星的星下点区域应该被深对流云所覆盖（Song, Yang, Luo, Li, Fu 2022, ApJ; Yang, Zhang, Fu, Yan, et al. 2023, Nature Astronomy）。但是，与全球大气环流模式（GCMs）模拟结果相比，高分辨率模拟得到的云水路径更小、云覆盖范围更小、云反照率更低，导致液态水宜居带稍微变窄（图3）。同时，云对水汽观测信号的削弱作用减小，大气中水汽的观测深度增加。这也表明水汽作为行星宜居性的重要指标之一，更容易被未来望远镜所观测到。
图3. 近全球高分辨率模式SAM模拟的潮汐锁相行星上的垂直积分云水含量。A为系外行星TRAPPIST-1e，B为系外行星K2-72e。模式水平分辨率为4公里。
全球高分辨率模拟还可以得到一种局部细节结构——云街（cloud streets—long bands of low-level clouds oriented nearly parallel to the direction of the mean boundary-layer winds）。这种云街是几乎平行的对流云带，云带与云带之间是晴空的，云带的水平走向与边界层平均风场的方向基本相同（图4）。这种云街的形成过程较为复杂，应该是大尺度环流与小尺度对流相互作用的结果。首先，在较为热的洋面，空气团容易对流，形成云。其次，当大范围冷空气经过热的洋面时，冷空气比下面的热空气重，开始下沉。在对流上升区域，水汽抬升，形成云；在冷空气下沉区域，空气干燥，相对湿度低，留下晴空。然后，在垂直风切变的作用下，这些下沉气流与原来的上升气流呈现出某种有规则的条带状分布，就像错落有致的笔直街道一样。云街通常发生在行星边界层以内，似乎是大尺度下沉气流将对流禁锢在边界层内的结果。其中，一个关键问题是：垂直风切变是通过何种过程来重新排布云带和晴空带的。对于这个问题，可能与某种大尺度不稳定过程有关，也可能与某种波动的形成有关，目前还没有清晰的答案。
云街形成的条件之一就是水平方向有很大的地表温度梯度，因此通常发生在强冷空气爆发（strong cold air outbreaks）、吹向较热的洋面或者陆面的时候。潮汐锁相行星上的向阳面与背阳面温差巨大，为云街的形成提供了一个天然条件，这也是在高分辨率模拟中很容易发现云街的原因之一。这种云街对于局地温度、降水、能量平衡具有显著的影响。
图4. 潮汐锁相行星上的云街，对应图3中不同颜色框标记的区域。图中蓝色箭头是边界层水平风场的方向。左边为系外行星TRAPPIST-1e，右边为系外行星K2-72e。
在最新的工作中，全球尺度高分辨率云模拟（SAM）和全球大气环流模拟（ExoCAM）是由北京大学2021届本科生张一啸同学（目前就读于麻省理工学院）完成，博士生闫明羽负责其余SAM模拟试验，杨军副教授负责CAM3模拟试验，博士生宋心仪负责观测信号分析，博士生魏梦宇负责气旋分析，博士生刘伽晨负责极端降水分析，付遵涛教授、丁峰助理教授和谭志宏博士参与了结果分析与归因，杨军副教授负责整体试验设计、结果分析和文章撰写。该研究得到国家自然科学基金委（42175065，42075046, 41888101和42161144011）的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-023-02015-8
【后记】自2013年开始尝试模拟潮汐锁相上的云，到2023年完成全球高分辨率云模拟。从刚开始抵触云模拟与研究，到慢慢接受云、理解云，到现在的喜欢观察云、喜欢思考对流与云。十年时间，跌跌撞撞，磕磕绊绊，慢慢成长。希望再过十年，自己在对流与云方面有更深的理解与认知，尤其是对于地球上正在发生的对流与云。
相关文章：
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