Atmospheric	  general	  circula2on	  of	  synchronously	  rota2ng	  terrestrial	  planets:	  Dependence	  on	  planetary	  rota2on	  rate	
S. Noda(1,6), M. Ishiwatari(2,3), K. Nakajima(4), Y. O. Takahashi(1,3),
S. Nishizawa(7), M. Onisi(1,3), G. L. Hashimoto(5) ,K. Kuramoto(2,3), Y.-Y. Hayashi(1,3)(1) Kobe University, Kobe, (2) Hokkaido University, Sapporo,(3) Center for Planetary Science, Kobe, (4) Kyushu University, Fukuoka,(5) Okayama University, Okayama, (6) Meteorological Research Institute, Tsukuba,(7) RIKEN Advanced Institute for Computational Science, Kobe	
05 Feb. 2013	

Synchronously	  rota2ng	  planets	
• Some	  terrestrial	  exoplanets	  are	  expected	  	  to	  be	  2dally	  locked.	  
• Climates	  of	  such	  planets?	  
– Numerical	  experiment	  of	  aqua-­‐planet	  	  with	  ﬁxed	  dayside	  and	  nightside	  • Previous	  studies:	  Atmospheric	  general	  	  circula2on	  model	  experiments	  – Joshi et al. (1997)– Joshi (2003)– Merlis and Schneider (2010)– Edson et al. (2011)

Dayside	Nightside	Objec2ves	
• Examina2on	  of	  	  dependences	  of	  circula2on	  and	  heat/water	  transports	  on	  planetary	  rota2on	  rate	  (Ω)	  – Atmospheric	  structure	  for	  intermediate	  Ω?	  	  Surface	  temperature(Merlis	  and	  Schneider,	  2010)		  Ω	  =	  ΩE	  /365	  Ω	  =	  ΩE	  Slowly	  rota2ng	  regime	

Rapidly	  	  rota2ng	  regime	General	  circula2on	  model	  dcpam5	  (hWp://www.gfd-­‐dennou.org/library/dcpam/index.htm.en)	  Basic	  equa2ons	  of	  	  dynamical	  part	

Primi2ve	  equa2on	  (hydrosta2c,	  ideal	  gas),	  ver2cal	  coordinate	  :	  σ=p/ps	Atmospheric	  composi2on	

“Water	  vapor”	  and	  “dry	  gas”	

Radia2on	  process	

Water	  vapor	  :	  gray	  to	  IR	  radia2on	  Dry	  gas:	  transparent	Cumulus	  process	

Convec2ve	  adjustment	  (Manabe	  et	  al.,	  1965)	  condensed	  water	  is	  removed	  from	  system	  immediately	  (no	  cloud)	

Turbulent	  ver2cal	  mixing	

Mellor	  and	  Yamada	  (1972)	  Level	  2	Surface	  condi2on	

Aqua-­‐planet,	  ﬂat	  surface	  Experimental	  	  conﬁgura2on	• Solar	  radia2on	  ﬂux	  is	  given	  only	  to	  dayside	  • Planetary	  rota2on	  rate:	  0	  -­‐	  ΩΕ (Earth)	  •••••Planetary	  radius:	  	  6.371	  x	  106	  m	  	  Solar	  constant:	  1380	  W	  m-­‐2	  	  gravita2onal	  accelera2on:	  	  9.8	  m	  s-­‐2	  	  Averaged	  surface	  pressure:	  105	  Pa	  surface	  albedo:	  0	  Dayside	Nightside	

la2tude	– 18	  cases	  longitude	0	• Resolu2on	  1380	  W/m2	
– Horizontal	  trunca2on	  wave	  number:	  	  T21	  – Ver2cal	  levels:	  L16	  • Ini2al	  condi2on:	  isothermal	  (280K)	  	  rest	  state	  • Integra2on	  2me:	  2000	  days	  (last	  1000	  days	  is	  used	  for	  analysis)	  	  la2tude	

Surface	  temperature	  for	  various	  Ω	Ω	  =	  0	Ω	  =	  0.05	  ΩΕ	Ω	  =	  0.15	  ΩΕ	Ω	  =	  0.25	  ΩΕ	Ω	  =	  0.33	  ΩΕ	Ω	  =	  0.5	  ΩΕ	Ω	  =	  0.67	  ΩΕ	Ω	  =	  0.8	  ΩΕ	Ω	  =	  ΩΕ	

longitude	

Time	  	  mean	  over	  1000-­‐2000day	Zonal	  mean	  zonal	  wind	  for	  various	  Ω	Ω	  =	  0.05	  ΩΕ	Ω	  =	  0.15	  ΩΕ	Ω	  =	  0.25	  ΩΕ	Ω	  =	  0.33	  ΩΕ	Ω	  =	  0.5	  ΩΕ	Ω	  =	  0.67	  ΩΕ	Ω	  =	  0.8	  ΩΕ	Ω	  =	  ΩΕ	

sigma	

Ω	  =	  0	la2tude	-­‐100	  m/s	100	  m/s	Time	  	  mean	  over	  1000-­‐2000day	la2tude	Wind	  (σ=0.2)	  for	  various	  Ω	Ω	  =	  0	Ω	  =	  0.05	  ΩΕ	Ω	  =	  0.15	  ΩΕ	Ω	  =	  0.25	  ΩΕ	Ω	  =	  0.33	  ΩΕ	Ω	  =	  0.5	  ΩΕ	Ω	  =	  0.67	  ΩΕ	Ω	  =	  0.8	  ΩΕ	Ω	  =	  ΩΕ	longitude	

100	  m/s	100	  m/s	Time	  	  mean	  over	  1000-­‐2000day	la2tude	

Condensa2on	  hea2ng	  rate	  for	  various	  Ω	Ω	  =	  0	

Ω	  =	  0.05	  ΩΕ	Ω	  =	  0.15	  ΩΕ	Ω	  =	  0.25	  ΩΕ	Ω	  =	  0.33	  ΩΕ	Ω	  =	  0.5	  ΩΕ	Ω	  =	  0.67	  ΩΕ	Ω	  =	  0.8	  ΩΕ	Ω	  =	  ΩΕ	

longitude	0	  W/m2	

2000	  W/m2	

Time	  	  mean	  over	  1000-­‐2000day	Surface	  pressure	  for	  various	  Ω	Ω	  =	  0	

Ω	  =	  0.15	  ΩΕ	Ω	  =	  0.25	  ΩΕ	Ω	  =	  0.33	  ΩΕ	Ω	  =	  0.5	  ΩΕ	Ω	  =	  0.67	  ΩΕ	Ω	  =	  0.8	  ΩΕ	Ω	  =	  ΩΕ	

la2tude	Ω	  =	  0.05	  ΩΕ	

longitude	

93000	  Pa	

107000	  Pa	Time	  	  mean	  over	  1000-­‐2000day		  Asymmetric	  	  state:	  0.2ΩΕ -0.67ΩΕ 	Surface	  pressure	  for	  0.5ΩE	

イメージを表示できません。メモリ不足のためにイメージを開くことができないか、イメージが破損している可能性があります。コンピューターを再起動して再度ファNorth-­‐south	  Asymmetric	  	  	  State	t	  =	  1400	  –	  1450	  [day]	

96000	

104000	

zonal	  mean	  surface	  pressure	
la2tude	• Oscilla2on	  – Non-­‐periodic	  	  for	  large	  Ω	– 	  “period”:	  	  10day	  –	  1000day	  – also	  in	  high	  reso.	  
experiments	  t	  =	  1750	  –	  1800	  [day]	

イルを開いてください。それでも赤い x が表示される場合は、イメージを削除して挿入してください。

Time	  (day)	

Mul2ple	  equilibrium	  states	• 10	  member	  Ensemble	  experiment	  – diﬀerent	  random	  seed	  for	  Temperature	  sigma	

zonal	  wind	  at	  σ=0.2	  level	  at	  the	  equator	  	  (zonal	  mean,	  2me	  mean)	

Mul2ple	  equilibrium	

la2tude	

sigma	

zonal	  wind	  (m/s)	

Asymmetric	  state	Rota2on	  rate	  (normalized	  by	  Earth’s	  value)	

la2tude	Dependence	  of	  heat	  budget	  on	  Ω			  Night-­‐side	  heat	  budget	
Averaged	  Surf	  Temp.	
×10 W	
heat	  transport	  from	  day	  to	  night	

condensa2on	  hea2ng	  Planetary	  radia2on	

Surface	  Temp.	

Integrated	  	  heat	  	  ﬂux.	

15Day-­‐side	  global	
Night-­‐side	

Rota2on	  rate	  (normalized	  by	  Earth’s	  value)	

• Small	  dependence	  of	  summa2on	  of	  	  sensible/latent	  heat	  transports	  on	  Ω	  • Total	  heat	  transport	  may	  be	  determined	  by	  	  (Incident	  	  solar	  ﬂux)	  –	  (radia2on	  limit)	  • Radia2on	  limit:	  Nakajima	  et	  al.	  (1992),	  	  Ishiwatari	  et	  al.	  (2002)	  Comparison	  with	  1-­‐d	  model		  	  	  Ω=0	  (GCM	  Day	  Side)	  	  	  	  Ω=0.15ΩE	  	  	  	  Ω=0.5ΩE	  	  	  	  Ω=ΩE	1d	  model:	  50%	  	  (Rela2ve	  humidity)	  60%	  70%	   80%	  90%	  100%	  • Outgoing	  Longwave	  Radia2on	  does	  not	  exceed	  radia2on	  limit	  obtained	  by	  1-­‐dim	  radia2ve	  	  convec2ve	  equilibrium	  model.	  Summary	• Dependence	  of	  atmospheric	  states	  of	  synchronously	  rota2ng	  aqua-­‐planet	  on	  Ω	  is	  studied	  by	  a	  GCM.	  
• Summa2on	  of	  sensible/latent	  heat	  transport	  is	  almost	  independent	  of	  rota2on	  rate	  • There	  exists	  a	  deﬁnite	  regime	  boundary	  between	  ``slowly	  rota2ng	  regime’’	  and	  ``rapidly	  rota2ng	  regime’’	  • Existence	  of	  mul2ple	  equilibrium	  solu2ons	  • There	  exist	  a	  range	  	  where	  asymmetric	  states	  appear.