Krátkovlnné a longwave záření příspěvky na globální oteplování pod rostoucím CO2

SW a LW Příspěvky do Akumulace Energie

Jsme první zvážit podrobněji globální radiační reakce CMIP5 Spektrometr k náhlému snížení emisí SKLENÍKOVÝCH plynů nutí (4× CO2) (je znázorněno na Obr. 2). Vývoj anomálií OLR se mezi GCM výrazně liší (obr. 2D). Jsme charakterizují tuto škálu odpovědí čas (tcross), že to trvá pro OLR k návratu k jeho nevzrušeně hodnota*; tcross se pohybuje od 2 231 y, s ensemble průměr 19 y (viz Obr. 4A).

K interpretaci těchto zjištění můžeme použít běžně používané linearizace globální TOA energie rozpočet:d(C T)dt=TSP+FLW+(λSW+λLW)TS,kde TS je průměrné globální povrchové teplotní anomálie, a C je závislé na čase globální tepelné kapacity. Eq. 1 se vztahuje míra globální tepelný obsah, změnit tempo globálního TOA akumulace energie, což je dáno tím, že součet SW a LW radiativní forcings (TSP a FLW) a radiační reakce (λSWTS a λLWTS) (6). Anomálie v OLR a ASR lze dále vyjádřit asASR=FSW+λSWTS

a-OLR=FLW+λLWTS.

radiační zpětné vazby (λSW a λLW) lze odhadnout pro každý GCM lineární regresí ASR a OLR (obr. 2 C A D) s TS (obr. 2A) po dobu po 4× CO2, přičemž radiační nucení je přibližně konstantní (7, 8). Kromě toho lze LW a SW složky CO2 forcingu (FLW a FSW) odhadnout pomocí TS=0 zachycení regrese.† Hodnoty vynucení a zpětné vazby pro CMIP5 GCMs (tabulka S1) jsou v souladu s hodnotami odhadovanými Andrewsem et al. (10).

podle definice Eq. 1, efektivní tepelná kapacita C (obr. 2B) je časově integrovaná akumulace energie Toa dělená TS. Již dlouho se uznává, že neexistuje jediná tepelná kapacita (nebo charakteristická doba relaxace) klimatického systému (11). Ve skutečnosti se C zvyšuje s časem, jak teplo proniká pod povrchovou smíšenou vrstvu a do vnitřku oceánu (12 ⇓ ⇓ -15). Pro CMIP5 Spektrometr, C odpovídá ekvivalentní oceánu, hloubky 50 m v prvním desetiletí po 4× CO2 a zvyšuje v průběhu času, dosažení odpovídající hloubce několika set metrů po století (Obr. 2B). Časový vývoj C spolu s hodnotami zpětné vazby SW a LW a vynucení umožňují iteraci Eq. 1 který přesně reprodukuje odezvu TS povrchové teploty každého GCM (obr. 2A). ASR a OLR předpovídané Eq. 2 jsou ve vynikající shodě s jejich příslušnými odpověďmi po 4× CO2 (obr. 2 C A D) a tvoří drtivou většinu (99%) rozptylu v tcross napříč modely. Tedy jednoduchá reprezentace klimatických zpětných vazeb (Eqs. 1 a 2) je vše, co je potřeba k pochopení reakce ASR a OLR pod tlakem skleníkových plynů.

Vhled do GCM chování může být získané tím, že zvažuje hodnoty ASR a OLR potřebný k dosažení TOA energetické bilanci (rovnováze) s uloženou emisí SKLENÍKOVÝCH plynů nutí. Pokud vynucení a zpětné vazby působily pouze v LW (jako na obr. 1A), anomálie OLR by se zvýšila z hodnoty −FLW = 0 po 4× CO2 (Eq. 2) a globální akumulace energie by byla poháněna výhradně sníženou OLR. V multi-GCM říct, nicméně, tam je podstatný pozitivní SW zpětnou vazbu λSW=0,6 W m−2 K−1 kromě negativní LW zpětnou vazbu λLW=-1.7 W m−2 K−1 (Obr. 3A). V důsledku toho se ASR zvyšuje s oteplováním, což přispívá ke globální akumulaci energie. Navíc kladný λSW zesiluje rovnovážnou teplotní odezvu koeficientem zesílení‡ (GλSW) ∼1.5 vztaženo k systému pouze s LW zpětnou vazbou, kdegλsw≡1/(1+λSW/λLW).Multi-GCM říct OLR proto musí zvýšit o 1,5 FLW po 4× CO2 (z −FLW 0,5 FLW) k dosažení rovnováhy (Eq. 2). OLR se tedy vrací ke své nerušené hodnotě, když byla realizována 1FLW/1,5 FLW≈66% rovnovážné teplotní odezvy. Odhadujeme tento časový harmonogram níže. Pokud prozatím předpokládáme, že oteplování během prvních několika desetiletí může být aproximováno konstantní tepelnou kapacitou C, Eq. 1 lze snadno vyřešit pro časový vývoj povrchové teploty, givingTS=GλSWFLWλLW (e-tt-1), wheret= – CλLW+λSW.Z Eq. 4 ∼66% z rovnovážné změně teploty nutné pro OLR obnovit do předindustriální hodnoty bude dosaženo přibližně v čase τ, to znamená, tcross je přibližně rovna τ v souboru průměrná. Vezmeme-li průměr souboru C v prvním století simulací 4× CO2 jako horní hranici jeho hodnoty během prvních několika desetiletí(C≈250 m od obr. 2B), pak Eq. 5 poskytuje horní mez na τ. Pro soubor střední hodnoty zpětné vazby (tabulka S1), Eq. 5 dává τ≈29 y, což je v dobré shodě s CMIP5 soubor říct OLR oživení lhůtě tcross=19 y. Pro všechny časy po tcross, energie je ztracena prostřednictvím posílené LW emisí, a akumulace energie je pouze následkem zvýšené ASR. Relativní příspěvky anomálií SW a LW k celkové akumulaci energie tedy závisí přímo na době, po kterou se OLR vrátí a překročí svou nerušenou hodnotu (tcross). V průměru multi-GCM trvá OLR pouze dvě desetiletí, než se zotaví, a proto je akumulace energie způsobena především zvýšenou ASR.

Co tedy nastavuje velký rozsah tcross přes CMIP5 GCM? Zatímco podstatná část z rovnováhy oteplování je dosaženo během prvních několika desetiletích ve všech Spektrometr (15, 18)—vzhledem k rychlé reakci povrchu komponent klimatického systému (12)—ASR a OLR reakce na oteplování (a tcross) závisí na SW a LW ohlasy, které se podstatně liší (Obr. 3A). Závislost tcross na zpětnovazebních parametrech lze explicitně vidět řešením lineárního zpětnovazebního modelu pro tcross (za předpokladu, že FSW = 0). Nahrazení Ekvalizéru. 4 do Eq. 2 a identifikaci t=tcross, jako když OLR = 0 dává FLW=FLWGλSW(etcross/τ−1), který má solutiontcross=−τ⁡ln(1−1GλSW).

Eq. 6 ukazuje, že OLR doba zotavení je přímo úměrná (i) radiační e-skládací časová osa τ, což je v řádu několika desetiletí, a (ii) faktor ln(1-1/GλSW)=ln(−λSW/λLW), což je ≈1 v multi-GCM na mysli, ale liší o dva řády celé Spektrum. Pozitivní SW zpětná vazba zesiluje oteplování, a tím zvyšuje odezvu OLR a snižuje časový rámec pro obnovu OLR. Kromě toho je tcross mnohem citlivější na změny λSW než λLW nad prostorem parametrů realizovaným v GCMs (křivky na obr. 3A), což naznačuje, že intermodelové rozdíly v tcross jsou primárně řízeny změnami v SW zpětné vazbě. Tento výsledek vychází z fundamentální asymetrii v závislosti OLR na λSW a λLW: více pozitivní λSW akty k zesílení oteplování, což zvyšuje OLR a snižuje tcross; méně negativní λLW podobně se chová k zesílení oteplování, což zvyšuje OLR, ale také snižuje OLR reakci na stupeň TS změnit (Eq. 2), celkem řídí pouze malé změny v tcross.

navzdory mnoha zjednodušením, Eq. 6 poskytuje přiměřený odhad tcross simulovaný GCMs, vysvětlující 66% rozptylu napříč modely (obr. 3A). Zejména široce zachycuje krátkou dobu zotavení OLR u modelů CMIP5 s velkými a kladnými hodnotami λSW a dlouhou dobu zotavení OLR u modelů s téměř nulovou λSW. Existuje několik pozoruhodných výjimek, nicméně, kde Eq. 6 předpovídá podstatně menší tcross, než je realizováno. tcross je underestmated v těchto modelech, protože jsme dosud tvořily SW komponent CO2 nutí, což je podstatné v okamžiku Spektrometr kvůli rychlému cloud úpravy, které se vyskytují na časových lhůtách rychleji než teplota povrchu změny. Obdobou SW zpětnou vazbu případě uvedeno výše, SW nutí zesiluje rovnovážná teplota reakce SW nutí získat faktorem, GFSW, vzhledem k systému s LW nutí pouze:GFSW≡1+FSWFLW.

pozitivní vynucení SW zesiluje oteplování, zvyšuje odezvu OLR a snižuje tcross, zatímco negativní vynucení SW snižuje oteplování, snižuje odezvu OLR a zvyšuje tcross. Zahrnutí účinků zpětné vazby SW a společné vynucení dává jednoduché rozšíření Eq. 6, přičemž zisky jsou multiplikativní (SI Text):tcross=−τ⁡ln(1−1GλSW GFSW).V multi-GCM říct, že TSP je poměrně malé (Tabulka č. 1), což GFSW≈1.1 a úpravy tcross trochu od toho, co předpovídají Eq. 6. U některých modelů je však FSW podstatným zlomkem celkového nucení CO2 (obr. 3B), a má tedy velký dopad na tcross. S ohledem na FSW, Eq. 8 poskytuje vynikající odhad tcross simulovaný GCMs, vysvětlující 78% rozptylu napříč modely.

Pokud je v Eq použita konstantní hodnota τ≈29 y. 8 lze vizualizovat závislost tcrossu na zpětné vazbě a vynucování zisků (křivky na obr. 3B). tcross má velmi strmé přechody v regionu, kde se produkt GλSW a GFSW přístupy, vedoucí k bimodální distribuci tcross, s OLR návratu do nevzrušeně hodnoty buď za pár desítek let, nebo na lhůty delší než sto let. Ačkoli GλSW a GFSW přispívají k tcross stejně, GλSW se liší o větší částku než GFSW napříč GCMs. Je to tedy zpětná vazba SW, která nejsilněji řídí rozsah tcross a relativní příspěvky OLR a ASR ke globální akumulaci energie. Nicméně, v modelech s dostatečně negativní TSP (GFSW<0), tcross může být v řádu staletí, a to i s velkou a pozitivní λSW (GλSW>0). Obecně platí, OLR obnovuje v časových lhůtách století v modelech buď slabý SW zpětné vazby nebo slabý (nebo negativní) SW nutí, a OLR obnovuje v časových lhůtách několika desetiletí v modelech s mírným SW ohlasy a SW nutí. Tento výsledek lze dále vidět změnou pouze λSW a FSW v modelu lineární zpětné vazby (Eq. 1) a nastavení λLW, FLW A C se rovná jejich souboru střední hodnoty. Předpokládané hodnoty tcross jsou ve vynikající shodě (R2=0.98) s těmi simulován Spektrometrem (Obr. 4A), s výjimkou dvou modelů S C mnohem větší, než je průměrná hodnota souboru. Důležitější je, že umožňuje pouze λSW a TSP se lišit mezi modely je dostatečná k zachycení jasné oddělení mezi (i) ty modely s tcross v řádu staletí (černé kruhy na Obr. 4A), kde globální akumulaci energie dominuje snížená OLR, a (ii) ty modely s tcross v řádu desetiletí (barevné kruhy na obr. 4A), kde globální akumulaci energie dominuje vylepšená ASR a na rozdíl od vylepšené OLR.

S těmito poznatky v mysli, jsme se vrátit do relativní role ASR a OLR v řízení globální akumulace energie pod 1% CO2 nárůst za rok scénáři, kde emise SKLENÍKOVÝCH plynů koncentrace zvyšují pomalu v průběhu času, stejně jako v přírodě, spíše než náhle zečtyřnásobí. Kvantifikovat relativní role vylepšené ASR a sníží OLR v přechodné akumulace energie, definujeme SW akumulace energie poměr (PŘÍSAHÁM) bude poměr času-integrované akumulace energie pomocí vylepšené ASR času-integrovaný net radiační nerovnováha (ASR − OLR) nad 140 y z 1% CO2 simulace:PŘÍSAHÁM=∫ASRdt∫(ASR−OLR)dt.Hodnoty přísahy se v rámci GCM značně liší (obr. 4B), od téměř nuly (energie nahromaděná primárně sníženou OLR) po téměř tři (energie nahromaděná vylepšenou ASR a ztracená vylepšenou OLR). Přísahat mezi 0 a 1 označuje akumulaci energie prostřednictvím zvýšené OLR i snížené OLR, zatímco přísahat nad 0,5 znamená, že ASR přispívá více než jednou polovinou globální akumulace energie. V multi-GCM říct, PŘÍSAHÁM, že je 1.1, což znamená, že OLR se změní jen málo, a že čistá akumulace energie je dosaženo výhradně vylepšené ASR (Obr. 1D).

Tento rozsah GCM chování za pomalu rostoucí emise SKLENÍKOVÝCH plynů nutí vyplývá přímo z rozmezí OLR navrácení lhůty tcross identifikované výše pod náhlá změna emisí skleníkových plynů, který, podle pořadí, je stanovena intermodel rozdíly v SW ohlasy a nutit. Model lineární zpětné vazby (Eqs. 1 a 2 s parametry odhadnuty z 4× CO2, jak je popsáno výše) opakoval dopředu pod 1% CO2 zachycuje multi-GCM ASR a OLR reakce (přerušované čáry v Obr. 1D) a jejich variace napříč modely. Lineární zpětnovazební model tak zachycuje také inter-GCM rozptyl ve PŘÍSAHÁM (95%), kde drtivá většina (85%), z inter-GCM rozptylu lze vysvětlit změnou λSW a TSP (s λLW, FLW, a C nastavit, aby jejich ensemble znamená, jak je uvedeno výše) (Obr. 4B).

Obr. 4B ukazuje jasné oddělení mezi modely s přísahou ≤0,5 (dominuje OLR) a modely s přísahou ≥1 (dominuje ASR). Kromě toho jsou modely s přísahou ≤0,5 modely s tcross v řádu staletí (obr. 4B, černé kruhy) a modely s nadsázkou ≥1 jsou stejné jako modely s tcross v řádu desetiletí (obr. 4B, barevné kruhy). Tato silná závislost PŘÍSAHAT na tcross lze chápat tím, že zvažuje reakci na 1% CO2 jako superpozice mnoha reakcí na okamžitý CO2 nutit, každý zahájena v jinou dobu. Více formálně, čas (tramp), při které OLR se vrátí do své nevzrušeně hodnota v reakci na lineární nárůst CO2 nutí lze aproximovat (SI Text)tramp=τ1−1GλSW GFSW=tetcross/τ.U modelů s tcross v řádu desítek let, tRAMP je také v řádu desítek let, a přísahat je velký. U modelů s tcross na řádu století je tRAMP na řádu několika století a přísaha je malá. Celkem tcross vysvětluje 83% rozptylu mezi GCM v přísahě.