Interactions between the hydrological cycle and land surface temperatures: insights from a thermodynamic systems perspective

Die Temperatur der Landoberfläche und der Wasserkreislauf sind die beiden wichtigsten Merkmale des Klimas, die stark miteinander verbunden sind und direkte Auswirkungen auf das Funktionieren der terrestrischen Ökosysteme haben. Der Wasserkreislauf beeinflusst die Landoberflächentemperaturen, da das Vorhandensein von Wasser in der Atmosphäre (Wolken und Wasserdampf) und an der Oberfläche (Verdunstung) die Temperaturen in verschiedenen Regionen und Zeiträumen beeinflusst. Gleichzeitig können Temperaturschwankungen die Geschwindigkeit des Wasserkreislaufs verändern, vor allem durch die Veränderung der Feuchtigkeitsspeicherkapazität der Atmosphäre (Sättigungsdampfdruck), die Veränderung der Verdunstungsraten und die Veränderung der Niederschlagsmuster. ... mehrDiese Wechselwirkungen zwischen hydrologischen Kreisläufen und Oberflächentemperaturen werden stark durch den vertikalen konvektiven Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen der Oberfläche und der Atmosphäre vermittelt und werden in der Regel mit prozessbasierten Landoberflächen-, Atmosphären- oder vollständig gekoppelten Erdsystemmodellen untersucht, die den Austausch zwischen Oberfläche und Atmosphäre parametrisiert darstellen. Allerdings gibt es nach wie vor große intermodale Verzerrungen in ihren Schätzungen, und oft geht die Interpretierbarkeit der Ergebnisse durch die Komplexität der Modelle verloren. Infolgedessen wird immer wieder betont, dass eine Hierarchie von Klimamodellen unterschiedlicher Komplexität erforderlich ist.
Die zugrundeliegenden Prozesse, die die Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre vermitteln, sind zwar von Natur aus komplex, aber sie sind alle mit Veränderungen in der Energiebilanz des Erdsystems verbunden. Infolgedessen gibt es immer mehr Belege dafür, dass die Abschätzung komplexer Flüsse zwischen Oberfläche und Atmosphäre durch die explizite Berücksichtigung thermodynamischer Grenzen und Zwänge einfacher wird. Aus diesem Grund wende ich in meiner Dissertation einen Rahmen für thermodynamische Systeme auf hydrologische Kreisläufe an, um deren Wechselwirkungen mit Oberflächentemperaturen zu verstehen. Dazu beschreibe ich den vertikalen konvektiven Transport im Land-Atmosphären-System als Folge einer Wärmekraftmaschine, die durch den Wärmeunterschied zwischen der wärmeren Oberfläche und der kühleren Atmosphäre angetrieben wird. Dann schränke ich diesen Transport ein, indem ich die maximale Arbeit berechne, die die Atmosphäre leisten kann, um den vertikalen Austausch aufrechtzuerhalten, und bezeichne dies als die maximale Leistungsgrenze. Dies wird in Kapitel 2 meiner Arbeit ausführlich beschrieben.
In Kapitel 3 prüfe ich die Anwendbarkeit dieses Ansatzes auf das globale Klima über Land und verwende ihn, um die vorherrschenden physikalischen Einflüsse zu quantifizieren, die die klimatologische Variation der Oberflächentemperaturen und der Energieverteilung in trockenen und feuchten Regionen und Perioden bestimmen. Ich habe festgestellt, dass die thermodynamischen Bedingungen allein mehr als 95 % der klimatologischen Schwankungen der Oberflächentemperaturen und der turbulenten Flüsse über Land erklären können. Ich zeige, dass die Aufteilung der Oberflächenenergie in fühlbare und latente Wärme zwar durch die Wasserbegrenzung bestimmt wird, die Gesamtmenge des turbulenten Flussaustauschs jedoch in erster Linie durch die lokalen Strahlungsbedingungen und die Fähigkeit der Atmosphäre, Arbeit zu leisten, bestimmt wird. Dies bedeutet, dass eine geringere Verdunstungskühlung in trockenen Regionen durch einen erhöhten fühlbaren Wärmefluss und Auftrieb kompensiert wird, was mit den Beobachtungen übereinstimmt. Ich zeige, dass die Temperaturschwankungen in trockenen und feuchten Regionen hauptsächlich durch Wolken gesteuert werden, die die Erwärmung der Oberfläche durch Sonneneinstrahlung verringern. Anhand von Satellitenbeobachtungen bei bewölktem und klarem Himmel zeige ich, dass Wolken die Landoberfläche in feuchten Regionen um bis zu 7 K abkühlen, während dieser Effekt in trockenen Regionen aufgrund des Fehlens von Wolken ausbleibt. Ich komme zu dem Schluss, dass Strahlung und thermodynamische Grenzen die Hauptkontrollen für die Temperaturen an der Landoberfläche und den Austausch turbulenter Ströme sind, was zu einer zunehmenden Einfachheit der beobachteten klimatologischen Muster innerhalb des komplexen Klimasystems führt.
In Kapitel 4 erweitere ich diesen Ansatz auf den Tagesgang der Lufttemperaturen (DTR). Hier zeige ich, dass die täglichen Veränderungen der DTR in erster Linie durch den tageszeitlich bedingten, nicht-latenten Energieeintrag in die atmosphärische Grenzschicht als vorherrschende Kontrolle geprägt sind, die diese beeinflusst. Um dies zu zeigen, prognostiziere ich die DTR über eine Reihe von Klimazonen hinweg, indem ich eine thermodynamisch eingeschränkte Oberflächenenergiebilanz verwende, die durch Beobachtungen von Strahlungsflüssen und Oberflächenverdunstungsbedingungen erzwungen wird. Dieser Ansatz erfasst die Reaktion der DTR auf Veränderungen der Strahlung, der Wolkenbedeckung und der Verfügbarkeit von Oberflächenwasser in Übereinstimmung mit FLUXNET-Beobachtungen und ERA-5-Reanalysedaten. Ich zeige, dass die DTR nicht nur durch Strahlung und Bewölkung, sondern auch durch die Verfügbarkeit von Oberflächenwasser beeinflusst wird, insbesondere im wasserbegrenzten Verdunstungsregime, wenn die Land-Atmosphäre-Kopplung am stärksten ist. Die größte DTR tritt dann als kombiniertes Ergebnis von klaren Himmelsbedingungen und trockenen Oberflächen auf. Der Hauptunterschied zu Kapitel 3 besteht darin, dass die Änderungen der Bodenfeuchte auf kurzen Zeitskalen die Verdunstung und die Verteilung der Oberflächenenergie im wasserbegrenzten Regime beeinflussen. Während sowohl die Verdunstung als auch die fühlbare Wärme im Wesentlichen Wärme von der Oberfläche abziehen, bedeutet eine Verschiebung der Energieverteilung in Richtung fühlbare Wärme, dass mehr Wärme in die Atmosphäre abgegeben wird. Dies führt zu einer verstärkten Wärmespeicherung in der unteren Atmosphäre und damit zu einem höheren DTR-Wert.
In den Kapiteln 5 und 6 habe ich untersucht, wie sich Temperaturänderungen auf die Niederschlagsmengen auswirken können. Diese Studie beruht auf dem Konzept der "Niederschlags-Temperatur-Skalierung", einer statistischen Methode zur Ermittlung von Niederschlags-Temperatur-Empfindlichkeiten aus Beobachtungen. Der Grundgedanke ist, dass bei extremen Niederschlagsereignissen der größte Teil der Feuchtigkeit in der Atmosphärensäule in Regen umgewandelt wird und diese daher mit der Clausius-Clapeyron-Skalierung von 7 %/K skalieren sollten. Die beobachteten Skalierungsraten weichen jedoch erheblich von dem ab, was aus physikalischen Gründen erwartet wird. Die Skalierungsraten sind in den Tropen tendenziell negativ und brechen oft an hohen Temperaturschwellen zusammen. In diesen Studien zeige ich, dass die meisten Abweichungen bei den beobachteten Skalierungsraten von Niederschlag und Temperatur (P-T) durch den Strahlungseffekt von Wolken auf die Oberflächentemperaturen während eines Niederschlagsereignisses erklärt werden können. Ich habe das in Kapitel 3 und 4 vorgestellte thermodynamisch eingeschränkte Energiebilanzmodell verwendet, um den störenden Strahlungseffekt der Wolken auf die Temperaturen zu entfernen. Ich stelle dann eine diametrale Änderung der Niederschlagsskalierung fest, wobei die Raten positiv werden und sich der Clausius-Clapeyron-Skalierungsrate (7%/K) annähern. Ursprünglich wurde diese Studie über der indischen Monsunregion durchgeführt, die aufgrund der ausgeprägten jahreszeitlich bedingten Niederschläge eine starke Strahlungskühlung durch Wolken erfährt. Dies wird in Kapitel 5 beschrieben. In Kapitel 6 wurde diese Hypothese erweitert und auf globaler Ebene bewertet, und es wurde bestätigt, dass die negative Skalierung in den Tropen bei der beobachteten P-T-Skalierung hauptsächlich auf die Wirkung der Wolken zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse implizieren, dass die mit der globalen Erwärmung erwartete Intensivierung von Niederschlagsextremen bei wärmeren Temperaturen mit den Beobachtungen aus tropischen Regionen übereinstimmt, wenn die Strahlungswirkung von Wolken auf die Oberflächentemperaturen und die daraus resultierende Kovariation mit dem Niederschlag berücksichtigt wird.
In Kapitel 7 schließe ich meine Arbeit ab, indem ich die weitergehenden Implikationen, Einschränkungen und Zukunftsaussichten meiner Arbeit er

Land surface temperatures and hydrologic cycling are the two most significant characteristics of climate. They are strongly coupled to each other and have direct implications on the functioning of terrestrial ecosystems. Hydrologic cycling modulates land surface temperatures as the presence of water in the atmosphere (clouds and vapor) and at the surface (evaporation) affect temperatures across regions and periods. At the same time, changes in temperatures can alter the rate of hydrologic cycling, primarily by changing the moisture-holding capacity of the atmosphere (saturation vapor pressure), altering the evaporation rates, and changing rainfall patterns. ... mehrThese interactions between hydrologic cycling and surface temperatures are strongly mediated by the vertical convective exchange of heat and moisture between the surface and the atmosphere and are usually studied using process-based land-surface, atmospheric, or fully-coupled Earth system models, with parameterized representation of surface-atmosphere exchange. However, there remain large intermodal biases in their estimates and often the interpretability of the results is lost in the model complexity. As a result, a constant need for a hierarchy of climate models of varying complexity is widely emphasized.
While the underlying processes mediating the land-atmosphere interactions are inherently complex, they are all connected to changes in the energy balance of the Earth system. As a result, growing evidence has shown an emergent simplicity in estimating complex surface-atmosphere fluxes by explicitly accounting for thermodynamic limits and constraints. Using this as motivation for my thesis, I apply a thermodynamic systems framework to hydrologic cycling and understand its interactions with surface temperatures. I do this by describing the vertical convective transport in the land-atmosphere system as the consequence of a heat engine being driven by the heating difference between the warmer surface and the cooler atmosphere. I then constrain this transport by calculating the maximum amount of work the atmosphere can perform to sustain vertical exchange and refer to it as the maximum power limit. This is described in detail in chapter 2 of my thesis.
In Chapter 3, I test the applicability of this approach to global climate over land and use it to quantify the dominant physical drivers that shape the climatological variation in surface temperatures and energy partitioning across dry and humid regions. I found that the thermodynamic constraints alone can explain more than 95% of the climatological variations in surface temperatures and turbulent fluxes over land. I show that, while the surface energy partitioning into sensible and latent heat is governed by water limitation, the total amount of turbulent flux exchange is predominantly shaped by the local radiative conditions and the ability of the atmosphere to perform work. This implies that reduced evaporative cooling in dry regions is then compensated for by an increased sensible heat flux and buoyancy, which is consistent with observations. Temperature variation across dry and humid regions is then mainly controlled by clouds that reduce surface heating by solar radiation. Using satellite observations for cloudy and clear-sky conditions, I show that clouds cool the land surface over humid regions by up to 7 K while in arid regions, this effect is absent due to the lack of clouds. I conclude that radiation and thermodynamics limits are the primary controls on land surface temperatures and turbulent flux exchange which leads to an emergent simplicity in the observed climatological patterns within the complex climate system.
In Chapter 4, I extend this approach to the diurnal range of air temperatures (DTR). Here I show that day-to-day changes in DTR are primarily shaped by the diurnally constrained non-latent energy input into the atmospheric boundary layer as a predominant control shaping it. To show this, I predict DTR across a range of climates, using a thermodynamically constrained surface energy balance forced with observations of radiative fluxes and surface evaporative conditions. This approach captures the response of DTR to changes in radiation, cloud cover, and surface water availability, consistent with FLUXNET observations and ERA-5 reanalysis data. I demonstrate that in addition to strong controls exerted by radiation and cloud cover, DTR also carries imprints of surface-water availability, particularly in the water-limited evaporative regime when the land-atmosphere coupling is strongest. The largest DTR then occurs as a combined result of clear-sky conditions and dry surfaces. The primary difference here compared to Chapter 3 is that at short time scales, the changes in soil moisture affects evaporation and the surface energy partitioning in the water-limited regime. While both evaporation and sensible heat essentially take heat away from the surface, a shift in energy partitioning towards sensible heating implies more heat being put into the atmosphere. This results in enhanced heat storage in the lower atmosphere which results in a higher DTR.
In chapters 5 and 6, I evaluated how temperature changes can cause changes in rainfall. This study is motivated by the concept of “precipitation-temperature scaling”, a statistical method to obtain rainfall-temperature sensitivities from observations. The key idea is that during extreme rainfall events, most of the moisture in the atmospheric column is converted into rain and hence they should scale with the Clausius-Clapeyron scaling of 7%/K. However, observed scaling rates deviate substantially from what is expected from physical arguments. The scaling rates tend to be negative in the tropics and often break down at high-temperature thresholds. In these studies, I show that most of the deviations in observed rainfall-temperature (P-T) scaling rates can be explained by the radiative effect of clouds on surface temperatures during rainfall events. I used the thermodynamically constrained energy balance model described in chapters 3 and 4 to remove the confounding radiative effect of clouds on temperatures. I then find a diametric change in precipitation scaling with rates becoming positive and coming closer to the Clausius – Clapeyron scaling rate (7%/K). Initially, this study was performed over the Indian monsoon region which experiences strong cloud radiative cooling due to the pronounced seasonal nature of rainfall. This study is described in Chapter 5. In chapter 6, this hypothesis was extended and evaluated at a global scale and it was confirmed that the negative scaling in the tropics in observed P-T scaling arises mainly due to the cooling effect of clouds. These findings imply that the intensification of precipitation extremes with warmer temperatures expected with global warming is consistent with observations from tropical regions when the radiative effect of clouds on surface temperatures and the resulting covariation with precipitation is accounted for.
Finally, I close my thesis in chapter 7, by discussing the broader implications, limitation, and future prospects of my work.