【好文共享】全球地表气温对CO2浓度变化的非对称响应:能量平衡模式研究

科技   2024-07-26 17:27   甘肃  
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[ 探究气候奥秘]
全球地表气温|非对称相应|二氧化碳浓度变化
屈侠12,黄刚2
(1. 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心;2. 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室)





全球平均地表气温变化是衡量气候变化的重要指标之一。随着人类活动对环境的影响日益加剧,大气中的CO2浓度不断攀升,导致全球气温升高。《巴黎协定》提出了限制全球温度上升的目标,而实现这一目标,就需要我们深入理解CO2浓度变化对全球气温的影响。

近期,中国科学院大气物理研究所的屈侠副研究员团队,通过构建两层能量平衡模型(EBMs),开展了一项关于全球地表气温对CO2浓度变化非对称响应的研究。研究发现,气候系统的某些属性,如平衡气候响应(ECS)、深海热容量和海表—深海热传输系数,在CO2浓度上升和下降过程中,对全球地表气温的非对称性演变起着关键作用。
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数据与方法



研究使用了45个CMIP6(第六次国际耦合模式比较计划)模式数据,构建了391组实验,以模拟CO2浓度变化对全球气温的影响。实验结果显示,在CO2浓度对称变化的情况下,即使CO2浓度最终恢复到初始水平,全球地表气温也无法完全回到初始状态,显示出明显的非对称性。

(1)CMIP6数据。基于CMIP6试验结果对EBMs参数进行校准和性能评估。包括:①工业化前控制试验;②CO2 4倍突增试验;③1%CO2试验;④1%CO2移除试验。

(2)EBMs 及其参数校准。采用两层EBMs研究ΔT对CO2浓度变化的非对称响应。

(3)EBMs试验。为了评估EBMs 的性能和参数的影响贡献,本文进行了以下模拟试验:①CO2 4倍突增重建试验;CO2缓变试验;③单参数敏感性试验。

 
CO2浓度(a)、CO2缓变试验(b)以及单参数敏感性试验(c)~(i)中ΔT的时间序列
(b)曲线表示45 个模型中CO2缓变试验的输出;(c)~(i)曲线的颜色由浅到深表示对应的敏感参数的变化由小到大


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研究内容



研究进一步分析了影响非对称性的三个关键因素:

(1)平衡气候响应(ECS):ECS越大,表示气候系统对CO2浓度变化的响应越敏感。研究发现,较高的ECS会导致CO2浓度下降后,全球气温下降速度更快。

CMIP6 模式和能量平衡模式(EBMs)中ΔT的演变

CMIP6 模式使用的是CO2浓度突增试验结果(黑色曲线),能量平衡模式的为4CO2突增重建试验(红色曲线)结果,该结果为减去工业革命前试验结束时的全球平均地表气温的异常


能量平衡模式(EBMs)与对应CMIP6 模式中全球平均地表气温变化(ΔT)和非对称性的散点图

(a)CO4倍突增试验的第131~150 年平均ΔT;(b)1%CO2试验的第121~140年平均ΔT;(c)1%CO2试验及其移除试验中的ΔT 的非对称性,虚线之间的区域表示EBMs 与CMIP6 模式中ΔT 的相对误差小于10%


CMIP6 模式和能量平衡模式(EBMs)中ΔT的演变
CMIP6模式使用的是CO2浓度突增试验结果(黑色曲线),能量平衡模式的为4倍
CO2突增重建试验(红色曲线)结果。该结果为减去工业革命前试验结束时的全球平均地表气温的异常;CMIP6各模式的名称标在图上;大气CO2浓度演变为:第1~140年,以逐年1%的速度上升;第141~180年,以逐年1%的速度降低。因只有8个CMIP6模式开展了1% CO2移除试验,其他模式在第141~280年无相关数据

(2)深海热容量:深海热容量:深海的热容量越大,前期吸收和存储的热量越多,全球气温达到峰值后海表得到深海的热量补偿越充足,降温的速度就越慢。

ΔT达峰时间(a)和达峰后的下降速度(b)影响非对称性的示意图


深海热容量(C0)变化时能量平衡模式(EBMs)中的ΔT峰值后的下降趋势(a)和峰值年份(b)的散点图


深海热容量(C0)变化时能量平衡模式(EBMs)的全球平均温度和能量通量时间序列


(3)海表—深海热传输系数:海表—深海热传输系数:该系数越大,表示海表与深海的热量传输效率越高,在CO2浓度下降阶段深海对海表的热量补偿越迅速,全球气温下降速度越慢。


海表—深海热传输系数(γ)变化时能量平衡模式(EBMs)的全球平均温度变化和能量通量时间序列

(a)全球平均地表气温变化(ΔT);(b)深层海洋温度异常(ΔT0);(c)地表与深层海洋间的温差(ΔTT0);(d)有效辐射强迫(F);(e)气候反馈(-λΔT);(f)地表向深海的能量损失(-εH);(g)地表净能量[Cd(ΔT)/dt];曲线的颜色从浅到深表示γ 由小变大;这些结果是在单参数敏感性模拟中产生的,其中γ 变化其他参数固定


第161~280 年平均的各项随时间的导数


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启 示



在开展碳移除后,模式预估的ΔT 演变会呈现出一定的非对称性,同时该非对称性存在一定的不确定性范围。未来在实现巴黎协定目标的过程中,如果需要对碳移除后温度的非对称性或迟滞性有更加准确的认识,则需要我们加深对气候系统的ECS、深海热容量和海表—深海热传输系数的理解。



END


《地球科学进展》是由中国科学院西北生态环境资源研究院和国家自然科学基金委员会地球科学部联合主办的综合性、学术性刊物,主编傅伯杰院士。期刊多年被国家科技部评为中国精品科技期刊,2023年入选中国地学领域高质量科技分级目录T1区,被《中文核心期刊要目总览》《中国科学引文数据库核心版》(CSCD)、Scopus、EBSCO、美国化学文摘(CA)等国内外重要数据库收录。发文领域涉及:地质科学、大气科学、海洋科学、地理科学、环境科学、地球化学、地球物理学和空间科学等。

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