DOI: https://doi.org/10.5194/wcd-7-843-2026
تاريخ النشر: 2026-05-27
المؤلف: Quentin Nicolas وآخرون
الموضوع الرئيسي: الظواهر الجوية والمحاكاة
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث الحاجة إلى حدود قصوى قائمة على الفيزياء لدرجات حرارة السطح القصوى ($T_s$) في سياق تغير المناخ. يقترح المؤلفون أن الحد الأعلى المطلق لـ $T_s$، خاصة في ظل ظروف عدم وجود رطوبة سطحية، يتم تحديده بواسطة الحمل الجاف. ويؤكدون أنه بينما اقترحت الدراسات السابقة أن عدم الاستقرار الحراري الرطب يحدد حدًا أعلى، فإن هذا صحيح فقط عندما تكون هناك رطوبة سطحية محددة كافية. يوضح المؤلفون أن الحد الأعلى للحمل الرطب لا يمكن أن يتجاوز الحد الجاف، ويحددون أن ملفات درجات الحرارة التي تتجاوز الحد الجاف تحدث في المناطق التي يمتد فيها طبقة الحدود إلى منتصف التروبوسفير، متأثرة بطبقة فوق سطحية فائقة الحرارة.
تؤكد الاستنتاجات على تباين الحدود العليا بناءً على فرضيات وظروف رطوبة مختلفة. يبرز المؤلفون أن أعلى درجة حرارة يمكن تحقيقها بواسطة حزمة قريبة من السطح، تحت الاستقرار الحراري عند 500 هكتوباسكال، تتماشى مع الحد الجاف الأديباتي. يشيرون إلى أن الحالات التي يتم فيها تجاوز الحد الجاف توجد بشكل أساسي في المناطق الجافة ذات الارتفاعات العالية، مما يشير إلى أن فهم ديناميات طبقة الحدود أمر حاسم لتحديد شدة موجات الحرارة بدقة. تدعو الورقة إلى رؤية متوازنة تأخذ في الاعتبار خصائص سطح الأرض وتأثيرات التروبوسفير الحر في فهم extremes الحرارة، داعية إلى مزيد من البحث في عمق طبقة الحدود وفوق الحرارة لتحسين توقعات موجات الحرارة المستقبلية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الزيادة المتزايدة في أحداث الحرارة القصوى على مستوى العالم، مع كسر سجلات درجات حرارة السطح بشكل متكرر أكثر على مدى العقود الأربعة الماضية (Fischer et al., 2025). تشكل هذه الارتفاعات في درجات الحرارة تهديدات كبيرة لصحة الإنسان والأنظمة البيئية والاستقرار الاقتصادي (Bastos et al., 2021; Lesk et al., 2022; Callahan and Mankin, 2022; Hermann et al., 2023; Matthews et al., 2025). يطرح المؤلفون سؤالًا حاسمًا بشأن وجود حد أعلى لشدة موجات الحرارة، مقترحين أنه بينما يمكن استخدام طرق إحصائية مثل نظرية القيم القصوى لاستكشاف هذه القضية، فإن السرعة السريعة لتغير المناخ تعقد تطبيقها (Kharin and Zwiers, 2005; Zeder and Fischer, 2023; Zhang et al., 2024).
لإ address هذا السؤال، يقترح المؤلفون نهجًا قائمًا على الفيزياء متجذرًا في ديناميات الغلاف الجوي، مع التركيز على اشتقاق حد أعلى لدرجات حرارة قريبة من السطح. يشيرون إلى مفهوم التوازن شبه الحراري، الذي يصف الارتباط القوي بين السطح والتروبوسفير الحر في المناطق الاستوائية. يسمح هذا الارتباط للحمل الرطب بإزالة بسرعة الشذوذات الإيجابية في الطفو، مما يؤدي إلى ملفات درجات حرارة عمودية تتماشى عن كثب مع الظروف الأديباتية الرطبة فوق طبقة تحت السحاب. وبالتالي، فإن درجة الحرارة المحتملة المكافئة لطبقة الحدود، المشار إليها بـ $\theta_e$، تعادل درجة الحرارة المحتملة المكافئة للتشبع في التروبوسفير الحر، $\theta^*_e$، مما يحدد علاقة مباشرة بين درجة حرارة التروبوسفير الحر ودرجة حرارة ورطوبة طبقة الحدود.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجيات المستخدمة في تحليلاتهم، مستخدمين مصدرين رئيسيين للبيانات: إعادة تحليل ERA5 وأرشيف الراديوسوندي العالمي المتكامل (IGRA). يوفر مجموعة بيانات ERA5 بيانات نموذجية لشهر يونيو-يوليو-أغسطس (JJA) بدقة أفقية تبلغ 0.5° للسنوات من 2001 إلى 2021، بما في ذلك بيانات درجة الحرارة على ارتفاع 2 متر مستمدة من خلال الاستيفاء بناءً على نظرية تشابه موني-أوبوخوف. يوفر IGRA ملفات عمودية رصدية لدرجات الحرارة، وارتفاع الجيوپوتينشيل، وسرعة الرياح، مع التركيز على الملفات التي تتضمن قياسات درجة حرارة صالحة من السطح إلى 400 هكتوباسكال على الأقل، تغطي 58%-72% من الأيام اعتمادًا على الموقع. يتم إجراء التحليل باستخدام قياسات من ثلاث محطات في غرب الولايات المتحدة: إلكو، نيفادا، مدينة سولت ليك، يوتا، وريفرتون، وايومنغ.
متغير حاسم في التحليل هو ضغط قمة طبقة الحدود الكوكبية (PBL)، المحدد على أنه المستوى الأول حيث يتجاوز عدد ريتشاردسون الكتلي، $Ri_b$، 0.25. يستخدم المؤلفون صيغة محددة لـ $Ri_b(p)$، والتي تتضمن معلمات مثل ارتفاع الجيوپوتينشيل، ودرجة الحرارة، وسرعة الرياح. من الجدير بالذكر أن المؤلفين يعدلون منهجية ECMWF لاستخدام مستوى 2 متر لبيانات ERA5 لضمان قابلية المقارنة مع قياسات IGRA، على الرغم من هذا الانحراف عن الممارسة القياسية. تشير النتائج إلى أن ضغوط قمة PBL المستمدة من كلا مجموعتي البيانات تتماشى عمومًا، على الرغم من أنه يمكن أن تحدث اختلافات كبيرة (أكثر من 100 هكتوباسكال) خلال درجات الحرارة القصوى في منتصف خطوط العرض. بالإضافة إلى ذلك، تفتقر حوالي 0.5% من قياسات IGRA إلى بيانات سرعة الرياح، مما يؤدي إلى استبعادها من التحليلات التي تتضمن تقديرات قمة PBL.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تداعيات نتائجهم بشأن الحدود العليا لدرجات حرارة قريبة من السطح ($T_s$) في كل من البيئات الجافة والرطبة. يبنون على عمل زانغ وبوس (2023)، الذي اقترح أن الحمل الرطب يحدد ملفات درجات الحرارة فوق الأراضي المتوسطة العرض خلال الصيف. يوضح المؤلفون أن الحد الأقصى القابل للتحقيق لـ $T_s$ مقيد ببدء عدم الاستقرار الحراري، مع تسليط الضوء بشكل خاص على الحد الأديباتي الجاف كحد أعلى مطلق في ظل ظروف الحياد الحراري. يشيرون إلى أن هذا الحد يمكن تجاوزه في بعض الحالات، خاصة في المناطق الجافة حيث توجد طبقات حدودية عميقة وطبقات فوق حرارية قوية.
يؤكد المؤلفون على الحاجة إلى فهم دقيق لكيفية تأثير $T_s$ على المعلمات البيئية، مثل درجة حرارة التروبوسفير الحر ورطوبة قريبة من السطح. يجادلون بأنه بينما يبسط النهج “من الأعلى إلى الأسفل”، الذي يفترض أن الديناميات واسعة النطاق تحدد $T_s$، التحليل، إلا أنه قد لا يلتقط تعقيدات أحداث الحرارة القصوى بشكل كافٍ. بدلاً من ذلك، يدعون إلى منظور “من الأسفل إلى الأعلى” يأخذ في الاعتبار العمليات السطحية المحلية وإمكانية عمق طبقة الحدود القصوى لتحديد الحدود العليا الجافة المحددة للمنطقة. يختتم المؤلفون بالإشارة إلى أن مزيدًا من البحث ضروري لاستكشاف الآليات التي تحد من ارتفاع درجة حرارة السطح في الظروف التي يتم فيها تجاوز الحد الأديباتي الجاف.
DOI: https://doi.org/10.5194/wcd-7-843-2026
Publication Date: 2026-05-27
Author(s): Quentin Nicolas et al.
Primary Topic: Meteorological Phenomena and Simulations
Overview
This research paper section addresses the need for physics-based upper bounds on extreme surface temperatures ($T_s$) in the context of climate change. The authors propose that the absolute upper limit for $T_s$, particularly under conditions of zero surface humidity, is determined by dry convection. They argue that while previous studies suggested moist convective instability sets a higher limit, this is only valid when sufficient surface specific humidity is present. The authors clarify that the moist convective upper bound cannot exceed the dry limit, and they identify that temperature profiles exceeding the dry limit occur in regions where the boundary layer extends into the mid-troposphere, influenced by a near-surface superadiabatic layer.
The conclusions emphasize the variability of upper bounds based on different hypotheses and humidity conditions. The authors highlight that the highest temperature achievable by a near-surface parcel, under convective stability at 500 hPa, aligns with the dry adiabatic bound. They note that instances where the dry bound is exceeded are primarily found in arid regions with high altitudes, suggesting that understanding boundary layer dynamics is crucial for accurately bounding heatwave intensities. The paper advocates for a balanced view that incorporates both land surface properties and free tropospheric influences in understanding heat extremes, calling for further research into boundary layer depth and superadiabaticity to improve projections of future heatwaves.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the increasing prevalence of extreme heat events globally, with surface temperature records being broken more frequently over the past four decades (Fischer et al., 2025). These rising temperatures pose significant threats to human health, ecosystems, and economic stability (Bastos et al., 2021; Lesk et al., 2022; Callahan and Mankin, 2022; Hermann et al., 2023; Matthews et al., 2025). The authors pose a critical question regarding the existence of an upper limit to heatwave intensity, suggesting that while statistical methods like extreme value theory can be employed to explore this issue, the rapid pace of climate change complicates their application (Kharin and Zwiers, 2005; Zeder and Fischer, 2023; Zhang et al., 2024).
To address this question, the authors propose a physics-based approach rooted in atmospheric dynamics, focusing on deriving an upper bound for near-surface temperatures. They reference the concept of convective quasi-equilibrium, which describes the strong coupling between the surface and free troposphere in tropical regions. This coupling allows moist convection to rapidly eliminate positive buoyancy anomalies, resulting in vertical temperature profiles that closely align with moist adiabatic conditions above the subcloud layer. Consequently, the boundary layer equivalent potential temperature, denoted as $\theta_e$, is equivalent to the free-tropospheric saturation equivalent potential temperature, $\theta^*_e$, establishing a direct relationship between free-tropospheric temperature and boundary layer temperature and moisture.
Methods
In this section, the authors detail the methodologies employed for their analyses, utilizing two primary data sources: the ERA5 reanalysis and the Integrated Global Radiosonde Archive (IGRA). The ERA5 dataset provides June-July-August (JJA) model-level data at a 0.5° horizontal resolution for the years 2001 to 2021, including 2-m temperature data derived through interpolation based on Monin-Obukhov similarity theory. The IGRA offers observational vertical profiles of temperature, geopotential height, and wind speed, with a focus on profiles that include valid temperature measurements from the surface to at least 400 hPa, covering 58%-72% of days depending on the location. The analysis is conducted using soundings from three western US stations: Elko, NV, Salt Lake City, UT, and Riverton, WY.
A critical variable in the analysis is the planetary boundary layer (PBL) top pressure, defined as the first level where the bulk Richardson number, $Ri_b$, exceeds 0.25. The authors employ a specific formula for $Ri_b(p)$, which incorporates parameters such as geopotential height, temperature, and wind speed. Notably, the authors adapt the ECMWF methodology to use the 2-m level for ERA5 data to ensure comparability with IGRA soundings, despite this deviation from standard practice. The results indicate that PBL top pressures derived from both datasets generally align, although significant discrepancies (over 100 hPa) can occur during peak daytime temperatures in midlatitude regions. Additionally, approximately 0.5% of IGRA soundings lack wind speed data, leading to their exclusion from analyses involving PBL top estimations.
Discussion
In this section, the authors discuss the implications of their findings regarding upper bounds on near-surface temperatures ($T_s$) in both dry and moist environments. They build on the work of Zhang and Boos (2023), which proposed that moist convection limits temperature profiles over midlatitude land during summer. The authors clarify that the maximum achievable $T_s$ is constrained by the onset of convective instability, specifically highlighting the dry adiabatic bound as the absolute upper limit under conditions of convective neutrality. They note that this bound can be exceeded in certain instances, particularly in arid regions where deep boundary layers and strong superadiabatic layers are present.
The authors emphasize the need for a nuanced understanding of how $T_s$ is influenced by environmental parameters, such as free-tropospheric temperature and near-surface humidity. They argue that while the “top-down” approach, which posits that large-scale dynamics dictate $T_s$, simplifies the analysis, it may not adequately capture the complexities of extreme heat events. Instead, they advocate for a “bottom-up” perspective that considers local surface processes and the potential for maximum boundary layer depth to define region-specific dry adiabatic upper bounds. The authors conclude by suggesting that further research is necessary to explore the mechanisms that limit surface temperature rise in conditions where the dry adiabatic bound is exceeded.