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放射対流平衡（RCE）は、大気の放射収支に関する概念です。これは、正味の放射長波冷却と対流および地表面フラックスによる加熱との間のバランスを記述します。[ 1 ]純粋な放射平衡 との主な違いは、対流圏の気温減率がより現実的なものに調整されていることです。[ 2 ]
気候モデルでは、この概念は地球全体の平均大気熱構造をシミュレートするために使用され、この構造の CO 2に対する感度を分析する機会を提供します。[ 3 ]真鍋淑郎は、地球の気候感度 (ECS)の現実的な推定値を初めて生成した RCE モデルでノーベル物理学賞を受賞しました。[ 4 ] 地球上では、熱帯大気は多くのスケールで RCE に近い状態です。[ 5 ]そのため、この概念は熱帯循環や湿潤対流のさまざまな側面を研究するためにも使用されています。 [ 1 ]
この概念は、対流がほぼなくなるほど非常に安定した大気の場合には限界がある。[ 6 ]
大気の加熱の大部分は地球の表面によって行われ、大気はスペクトルの大部分において太陽放射に対して透明である。[ 6 ]純粋な放射平衡のみを考慮すると、地表に近い層は強く加熱され不安定になる。この不安定性を均衡させるために、対流上昇気流などの大気運動が熱を大気中で上方に運び、図に示すような新しい平衡状態を作り出す。[ 6 ] [ 7 ]したがって、地表と対流圏は強く結合しており、一体として考慮する必要がある。[ 6 ]この強い結合は、RCE では「対流調整」によって考慮されている。これは、層がこの値よりも不安定になるとすぐに、減率を湿潤断熱減率(Γ = 6.5 K km −1 )に調整することによって行われる。[ 6 ]この調整により、非常に暖かい地球表面 (332.3 K) など、純粋な放射平衡大気の非現実的な特徴の一部が排除され、より現実的な値 (300.3 K) が得られます。[ 3 ]地表面と対流圏の強い結合は、気候感度の分析には地表面でのエネルギーバランスではなく、大気上端でのエネルギーバランスが重要であることを意味します。[ 6 ]
図によると、大気圏上層部のエネルギー収支は次のようになっている。
S 0 (1-α) / 4 = σT a 4
そして表面では
S 0 (1-α) / 4 + σT a 4 = σT s 4 + F c
大気圏上層では、方程式は、地表面や大気層で反射されない入射太陽放射と、大気の温度に依存する出射長波放射との間のバランスを表しています。地表面では、入射太陽放射に加えて、上空の大気から受ける放射もあります。これらの方程式の要素は、純粋な放射平衡の要素と一致します。ただし、RCE の方程式には、地表面のフラックスを部分的にバランスさせる対流フラックス F cも組み込まれています。このフラックスは、先に説明した「対流調整」を表しています。[ 7 ]
RCEは、気候システムの非常に単純でありながら有効な記述です。[ 8 ]観測から、特に熱帯の大気は、熱帯全体を考慮すると、日単位の時間スケールまで、より大きなスケールでRCEに近いことがわかっています。[ 1 ]その単純さと現実性から、RCEの概念はモデリングに広く使用されています。RCEの最も有名な応用は、1967年に真鍋とウェザーランドによって行われ、彼らはECS（2.3 ℃）の最初の現実的な推定値を提供する一次元モデルを開発しました。 [ 9 ]真鍋淑郎は、この重要な発見により2021年にノーベル物理学賞を受賞しました。 [ 4 ]
計算リソースが増加するにつれて、RCE の概念の適用は、真鍋とウェザーランドの一次元モデルから、雲解像モデルや大気大循環モデルへと進化しました。[ 5 ]今日では、この概念は、中規模降雨の予測可能性、熱帯の金床雲、極端な降水、エアロゾルと雲の相互作用、対流組織、気候状態に対する地表面の影響など、熱帯の対流と循環のさまざまな側面を調査するために使用されています。[ 5 ] [ 8 ]雲のフィードバックも RCE を使用して調査されており、特に熱帯の雲のフィードバックは RCE でよく捉えられていることがわかりました。[ 10 ]さらに、RCE は、熱帯低気圧の研究の背景状態として、また気候モデルで大気の地球平均熱構造をシミュレートするためにも使用されています。 [ 3 ] [ 8 ]
この概念には、対流をほぼ完全に排除する非常に安定した大気の場合に限界があります。この場合、地表面は大気吸収領域から切り離されます。[ 11 ]この例としては、高緯度の冬や冷水の湧昇がある熱帯海洋地域などがあります。 [ 6 ]
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