David Randall (2012) Atmosphere, Clouds, and Climate

  • David RANDALL, 2012: Atmosphere, Clouds, and Climate (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 277pp. ISBN 978-0-691-14375-0 (pbk.)

プリンストン大学出版が2010年から出しはじめた気候入門書シリーズの4冊め(これまでに出たもののリストはあとにつける)。とくにこの巻の話題は気候システムのうち大気、そのうちで全球規模のエネルギー循環・水循環を中心としたものであり、わたしの[気候システム論]の教材とは大きく重なる。Hartmann (1994) Global Physical Climatology [読書ノート]では日本の大学学部の授業ひとこま(90分×約15回)には詳しすぎるのだが、Randallの本はちょうどよい分量だと思う。

第1章は基礎概念。気候と気象の関係、大気の組成、大気の層構造(対流圏そのほか)、風、水の相変化の潜熱。そして気候システム全体のエネルギー収支の概観(詳しい説明はあとで)。

第2章は放射過程(電磁波吸収・射出)。太陽放射と地球放射。定量的扱いは時間も空間も平均した定常0次元だが、緯度・季節による変化にもふれる。緯度ごとの放射収支の不均一から、大気と海洋の運動によるエネルギー輸送があるはずだという話になる。ほとんどわたしの授業の筋立てと同じ。0次元モデルの大気として黒体の板でなく0と1の間の値をとる射出率を考えるところだけが細かい。

第3章は、地表面と大気との間のエネルギー伝達を起こす放射以外のプロセスとして、乱流と積雲対流をいっしょに扱っている。著者の研究の主題である積雲対流の役割についての記述に特徴がある。反面、ページ数が限られているので当然だろうが、境界層の乱流の扱いはごく簡単だ。成層安定度について、温位ではなくstatic energy (エンタルピーと位置エネルギーの和)に基づく定式化を使う(これは1970年代以後の熱帯気象ではふつうだと思う)。CAPEが重要なキーワードになっている。熱帯のエネルギー循環にとっての積雲対流の役割を古典となったRiehl and Malkus (1958)の論文に沿って述べている(50年たってもこの結論は正しいのだそうだ)。数式が多いところは付録にまわされており、乱流や対流によるエネルギーなどの輸送量を平均場の量とそれからのずれに分けた定式化、および地表面での交換量の「バルク空気力学型」定式化はこの章の付録となっている。

第4章では大気の大循環をエネルギーの流れに注目して述べる。熱帯の主役はHadley循環、温帯の主役は温帯低気圧だ。モンスーンと熱帯低気圧にもふれている。気圧傾度力・コリオリの力などの力学的概念が使われる。付録では球面上の運動方程式の形と角運動量保存則が示される。

第5章は気候システムの中にあるフィードバックについて。全球平均気温についてのものを想定する。雪氷アルベドフィードバック、水蒸気のフィードバック、雲のフィードバック(複数)、気温減率のフィードバックと、複数のフィードバックが組み合わさることをどう扱うかの話がある。

第6章は水循環。現実の全球規模の水蒸気、降水量、蒸発量の分布を見る。とくに熱帯での分布には東西の不均一もあり、それは海面水温の高いところで積雲対流が活発という構造を持っていることを指摘する。全球平均にもどって、水循環の速さが何によって決まっているか、また気候が温暖化すれば水循環はどうなるかを考察する。

第7章は予測可能性の問題。主として天気予報の限界の問題をLorenzのカオス論に沿って論じている。天気は予測不可能でもその確率分布は予測可能である可能性を示唆する。

第8章は大気と海・陸との相互作用。海との関係ではENSO (エルニーニョ・南方振動)、陸との関係では植物の葉の気孔の役割を話題にしている。

第9章は「フロンティア」と題して研究途上の話題にふれる。題目は、成層圏、Madden-Julian振動(熱帯の数十日周期の現象)、エーロゾル、非常に高い分解能の気候モデル、他の惑星の気候。

なお、第1章の出だしに、英語圏の気候の話によく出てくる “Climate is what we expect, weather is what we get” という名言が使われているが、これがRobert HeinleinのSFからの引用だということを今回初めて知った。少し調べたところ、1973年に出たTime Enough for Love (日本語題名は「愛に時間を」)にあるらしい。本の中のどんな文脈か確認する元気は今のところない。(Heinleinの小説には興味深く読めたものもあるのだが、これはあらすじを見た限りでは興味がわかない。)

同じシリーズの既刊本 [2017-02-18 リスト改訂]

  • David ARCHER, 2010: The Global Carbon Cycle (Princeton Primers in Climate). Princeton Univ. Press, 205 pp. ISBN 978-0-691-14414-6. [読書メモ]
  • Michael L. BENDER, 2013: Paleoclimate (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 306 pp. ISBN 978-0-691-14555-6. [読書メモ]
  • Joanna D. HAIGH & Peter CARGILL, 2015: The Sun’s Influence on the Climate (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 207 pp. ISBN 978-0-691-15384-1. [読書メモ]
  • Andrew P. INGERSOLL, 2013: Planetary Climates (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 306 pp. ISBN 978-0-691-14505-1.
  • Shawn J. MARSHALL, 2011: The Cryosphere (Princeton Primers in Climate). Princeton Univ. Press, 288 pp. ISBN 978-0-691-14526-6 (pbk.) [読書メモ]
  • David SCHIMEL, 2013: Climate and Ecosystems (Princeton Primers in Climate). Princeton University Press, 222 pp. ISBN 978-0-691-16196-0.
  • Geoffrey K. VALLIS, 2011: Climate and the Oceans (Princeton Primers in Climate). Princeton Univ. Press, 231 pp. ISBN 978-0-091-15028-4 (pbk.) [読書メモ]

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

Contents
Preface vii[-viii]
1. Basics 1
– What is climate?
– The composition of the atmosphere
– Layers
– The winds
– Latent heat
– A first look at the energy cycle
2. Radiative energy flows 27
– The earth’s radiation budget
– Solar radiation
– Terrestrial radiation
– Absorption and scattering
– The flow of radiation
– Planetary energy balance
– Climate change on the back of an envelope
– Poleward energy transports by the atmosphere-ocean system
– Radiative exchanges between the surface and the atmosphere
3. How turbulence and cumulus clouds carry energy upward 55
– Energy flows back to the atmosphere
– Turbulent mixing
– Stratification
– Static stability and instability in dry air
– Cumulus instability
– Widely spaced towers
– What determines the intensity of the convection?
– Cumulus fluxes of energy and other things
Appendix: More about eddy fluxes 96
4. How energy travels from the tropics to the poles 103
– The winds
– The Hadley cells
– Monsoons
– How the earth’s rotation affects the wind, pressure, and temperature
– The thermal wind
– Winter storms
– Tropical storms
– Summary, and what’s next
Appendix: Conservation of momentum on a rotating sphere 134
5. Feedbacks 140
– Forcing and response
– The snow and ice albedo feedback
– The water vapor feedback
– How multiple feedbacks combine
– Cloud feedbacks
– – Low-cloud feedback
– – High-cloud feedback
– The lapse-rate feedback
– Observing feedbacks in the climate system
6. The water planet 160
– The water cycle
– The Hadley-Walker circulation
– Heating and vertical motion
– What determines the speed of the water cycle?
– The water cycle of a warmer earth
7. Predictability of weather and climate 183
– How forecasts are made
– How predictable is the weather?
– Quantifying the limits of predictability
– – The dynamical approach
– – The empirical approach
– – The dynamical-empirical approach
– Climate prediction
– Pushing the attractors around
8. Air, sea, land 206
– The atmosphere as a component of the larger climate system
– Changing the temperature of the earth’s surface
– Interactions of the atmosphere with the oceans
– ENSO
– Stomates rule
9. Frontiers 227
– The stratosphere
– The MJO
– Aerosols
– Very-high-resolution climate models
– The climates of the planets
Notes 233
Glossary 239
Suggestions for further reading 247
Bibliography 253
Index 261[-277]

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