SV-og LV-Bidrag til Energiakkumulering
vi overvejer først mere detaljeret det globale strålingsrespons fra CMIP5 GCMs til en pludselig DRIVHUSGASFORCERING (4 liter CO2) (vist i Fig. 2). Udviklingen af OLR-anomalier adskiller sig bemærkelsesværdigt mellem GCMs (Fig. 2D). Vi karakteriserer denne række svar på det tidspunkt (tcross), som det tager for OLR at vende tilbage til sin uforstyrrede værdi*; tcross varierer fra 2 til 231 y, med et ensemble gennemsnit på 19 y (se Fig. 4A).
(A) tidsserier af global gennemsnitlig overfladetemperaturændring i CMIP5 4 liter CO2 simuleringer. De enkelte modeller er angivet med de farvede linjer og farvekodet af temperaturændringen ved år 150 (farvebjælken er angivet midt i figuren). Ensemblegennemsnittet vises med den stiplede sorte linje. B) varmekapaciteten i klimasystemet defineret som den globale tidsintegrerede energiakkumulering divideret med overfladetemperatur. 1) angivet i enheder med den effektive dybde af en havkolonne (venstre akse) og enheder med radiativ e-foldning tidsskala (negativ af varmekapacitet divideret med ensemblet betyder netto radiativ feedback. C) tidsserier for ASR-svaret, hvor de faste linjer er GCM-værdierne, og de stiplede linjer er forudsigelserne for den lineære feedbackmodel. 1 og 2) ved hjælp af GCM-specifik varmekapacitet, forcings og feedbacks. Den solide sorte linje er ensemblets gennemsnit af GCM, og den stiplede sorte linje er forudsigelsen af den lineære feedbackmodel ved hjælp af Ensemblets gennemsnitlige varmekapacitet, forcings og feedbacks. D) det samme som i C med undtagelse af OLR-svaret.
for at fortolke disse fund anvender vi en almindeligt anvendt linearisering af det globale Toa-energibudget:d(c TS)DT=FSV+FLV+(LSV+LSV)TS, hvor TS er den globale gennemsnitlige overfladetemperaturanomali,og C er den tidsafhængige globale varmekapacitet. Ek. 1 relaterer hastigheden af det globale varmeindholds ændring til hastigheden af global Toa-energiakkumulering, som er givet ved summen af STRÅLINGSKRÆVENDE kraftværker (FSV og FLV) og strålingssvar (FSV og FLV) (6). Anomalier i OLR og ASR kan yderligere udtrykkes asASR=FSV + p >
og−OLR=FSV+p>.
de radiative feedbacks kan estimeres for hver GCM ved lineær regression af ASR og OLR (Fig. 2 C og D) med TS (Fig. 2A) i perioden efter 4 liter CO2, hvor strålingspåvirkning er omtrent konstant (7, 8). Desuden kan lv-og SV-komponenterne i CO2-tvang (FLV og FSV) estimeres ved hjælp af TS=0-skæringspunktet for regressionen. Forcerings-og feedbackværdier for CMIP5 GCMs (tabel S1) er i overensstemmelse med dem, der er estimeret af andre. (10).
som defineret af MK. 1, den effektive varmekapacitet C (Fig. 2B) er den tidsintegrerede Toa-energiakkumulering divideret med TS. Det er længe blevet erkendt, at der ikke er nogen enkelt varmekapacitet (eller karakteristisk afslapningstid) i klimasystemet (11). Faktisk øges C med tiden, når varmen trænger ind under det overfladeblandede lag og ind i havets indre (12 liter -15). For CMIP5 GCMs svarer C til en ækvivalent havdybde på 50 m i det første årti efter 4 liter CO2 og stiger over tid og når en ækvivalent dybde på flere hundrede meter efter et århundrede (Fig. 2B). Tidsudviklingen af C sammen med værdier af SV og LV feedbacks og tvang tillader en iteration af EKV. 1, der nøjagtigt gengiver OVERFLADETEMPERATURRESPONSEN TS for hver GCM (Fig. 2A). ASR og OLR forudsagt af Ek. 2 er i fremragende overensstemmelse med deres respektive svar efter 4-karts CO2 (Fig. 2 C og D) og tegner sig for langt størstedelen (99%) af variansen i tcross på tværs af modellerne. Således en simpel repræsentation af klimafeedbacks (EKV ‘ er. 1 og 2) er alt, hvad der er nødvendigt for at forstå svaret fra ASR og OLR under GHG-tvang.indsigt i GCM-adfærd kan opnås ved at overveje værdierne af ASR og OLR, der kræves for at nå Toa energibalance (ligevægt) med en pålagt GHG-tvang. Hvis tvang og feedbacks kun handlede i LV (som i Fig. 1A), ville OLR-anomalien stige fra en værdi af −FLV = 0 efter 4 liter CO2 (EKV. 2), og global energiakkumulering ville blive drevet udelukkende af reduceret OLR. I multi-GCM-gennemsnittet er der imidlertid en væsentlig positiv SV-feedback af sv = 0,6 VM−2 K−1 ud over den negative LV−feedback af sv=-1,7 VM−2 K-1 (Fig. 3A). Som følge heraf øges ASR med opvarmning, hvilket bidrager til global energiakkumulering. Desuden forstærker den positive kartsv ligevægtstemperaturresponsen med en forstærkningsfaktor karrus (Kartsv) på karrus 1.5 i forhold til et system med kun LV-feedbacks, hvor LVR 1/(1+LVR/LVR).Den gennemsnitlige multi-GCM-OLR skal derfor stige med 1,5 FLV efter 4 liter CO2 (fra −FLV til 0,5 FLV) for at nå ligevægt (EKV. 2). Således vender OLR tilbage til sin uforstyrrede værdi, når 1FLV/1,5 FLV l 66% af ligevægtstemperaturresponsen er realiseret. Vi estimerer denne tidsplan nedenfor. Hvis vi for øjeblikket antager, at opvarmningen i løbet af de første årtier kan tilnærmes med en konstant varmekapacitet C, EKV. 1 kan let løses for tidsudviklingen af overfladetemperaturen, hvilket giver = G.Fra Ek. 4, vil den 66% af den ligevægtstemperaturændring, der kræves for at OLR kan komme sig til præindustrielle værdier, opnås på ca.tidspunkt. Hvis vi tager ensemblets gennemsnit af C i løbet af det første århundrede af de 4 liter CO2-simuleringer som en øvre grænse for dens værdi i løbet af de første årtier (C liter 250 m fra Fig. 2B), derefter Ek. 5 giver en øvre grænse på kr. For ensemble betyder feedbackværdier (tabel S1). 5 giver 29 y, hvilket er i god overensstemmelse med cmip5-ensemblet mean OLR Recovery timescale tcross=19 y. For alle tider efter tcross går energi tabt gennem forbedret LV-emission, og energiakkumulering skyldes udelukkende forbedret Asr. Således afhænger de relative bidrag fra Sv-og LV-anomalier til den samlede energiakkumulering direkte af den tid, det tager for OLR at vende tilbage til og krydse sin uforstyrrede værdi (tcross). I multi-GCM-gennemsnittet tager OLR kun to årtier at komme sig, og dermed skyldes energiakkumulering primært forbedret ASR.
(A) konturerne viser følsomheden af tcross over for LV-og SV-feedbackparametre i den lineære feedbackmodel. 6) forudsat at tvingningen er alt i LV og bruger en tidsvariant varmekapacitet på 250 m havdybdeækvivalent-GCM-gennemsnittet i løbet af det første århundrede. Det skraverede sorte område er det parameterrum, over hvilket der ikke findes nogen ligevægtsløsning, og det skraverede lyserøde område er det parameterrum, over hvilket OLR aldrig vender tilbage til sin uforstyrrede værdi. De individuelle GCM-resultater er givet af cirklerne, som er farvekodet af tcross (farvebjælken findes midt i figuren). Den grå ellipse og de stiplede linjer repræsenterer observationsestimaterne for den røde og den røde 1 SD (Den Røde). (B) følsomheden af tcross over for SV-tvingningsgevinsten (GFSV) og Sv-feedbackgevinsten (g-Krsv) under forudsætning af 29 y (GCM-gennemsnittet i det første århundrede) i EKV. 8.
hvad indstiller derefter det store udvalg af tcross på tværs af CMIP5 GCMs? Mens en betydelig del af ligevægtsopvarmning opnås inden for de første adskillige årtier i alle GCM ‘ er (15, 18)—på grund af den hurtige respons fra overfladekomponenterne i klimasystemet (12)—afhænger ASR-og OLR-responserne på opvarmning (og tcross) af feedback fra SV og LV, som varierer væsentligt (Fig. 3A). Tcross ‘ afhængighed af feedbackparametrene kan ses eksplicit ved at løse den lineære feedbackmodel for tcross (under antagelse af, at FSV = 0). Udskiftning Af EKV. 4 til Ek. 2 og identificering af t=tcross som det tidspunkt, hvor OLR = 0 giver FLV=Flvg LV (etcross / LV−1), som har løsningentcross=−LV(1−1g LV).
Ek. 6 afslører, at OLR-gendannelsestiden er proportional med (i) den radiative e−folding tidsskala-kur, som er i størrelsesordenen flere årtier, og (ii) en faktor ln(1-1/g kurs)=ln (- kurs/kurs), som er kurs 1 i multi-GCM-gennemsnittet, men varierer med to størrelsesordener på tværs af GCMs. En positiv SV-feedback forstærker opvarmningen og forbedrer således OLR-responsen og reducerer tidsskalaen for OLR-genopretning. Desuden er tcross langt mere følsom over for ændringer i Krishna end Krishna over parameterrummet realiseret i GCMs (kurver i Fig. 3A), hvilket tyder på, at intermodelforskellene i tcross primært styres af variationer i SV-feedbacks. Dette resultat stammer fra en grundlæggende asymmetri i OLR ‘ s afhængighed af LLR og LLR: en mere positiv LLR virker til at forstærke opvarmning, hvilket forbedrer OLR og reducerer tcross; en mindre negativ LLR virker på samme måde for at forstærke opvarmning, hvilket forbedrer OLR, men det mindsker også OLR-responsen pr. 2), helt kørsel kun små ændringer i tcross.
På trods af dens mange forenklinger, Ek. 6 giver et rimeligt skøn over tcross som simuleret af GCMs, der forklarer 66% af variansen på tværs af modeller (Fig. 3A). I særdeleshed, det indfanger stort set den korte OLR-gendannelsestid i CMIP5-modellerne med store og positive OLR-værdier og den lange OLR-gendannelsestid i modeller med en næsten nul-OLR-værdi. Der er dog et par bemærkelsesværdige undtagelser, hvor EKV. 6 forudsiger en væsentligt mindre tcross end realiseret. tcross er undervurderet i disse modeller, fordi vi endnu ikke har taget højde for SV-komponenten af CO2-tvang, hvilket er betydeligt i nogle få GCM ‘ er på grund af de hurtige skyjusteringer, der sker på tidsplaner hurtigere end overfladetemperaturændringer. I modsætning til det ovenfor beskrevne tilfælde af SV-feedback forstærker SV-tvang ligevægtstemperaturresponsen med en sv-tvingende forstærkningsfaktor, GFSV, i forhold til systemet med kun LV-tvang:GFSV til 1+SV-kraft.
en positiv SV-tvang forstærker opvarmningen, forbedrer OLR-responsen og reducerer tcross, mens en negativ SV-tvang reducerer opvarmningen, mindsker OLR-responsen og øger tcross. At inkludere virkningerne af SV-feedbacks og tvinge sammen giver en simpel udvidelse af EKV. 6, hvor gevinsterne er multiplikative(SI-tekst): tcross=−liter Ln(1−1 g liter gfsv). i multi-GCM-gennemsnittet er FSV relativt lille (tabel S1), hvilket giver gfsv-værdi 1.1 og modificerer tcross lidt fra det, der forudsiges af EKV. 6. I nogle modeller er FSV imidlertid en væsentlig del af den samlede CO2-tvang (Fig. 3B), og det har således en stor indflydelse på tcross. Med FSV taget i betragtning, Ek. 8 giver et fremragende skøn over tcross som simuleret af GCMs, hvilket forklarer 78% af variansen på tværs af modeller.
Hvis der anvendes en konstant værdi på 29 y i EKV. 8, kan afhængigheden af tcross på feedback og tvingende gevinster visualiseres (kurver i Fig. 3B). tcross har meget stejle stigninger i den region, hvor produktet af G-og GFSV nærmer sig en, hvilket fører til en bimodal fordeling af tcross, hvor OLR vender tilbage til uforstyrrede værdier enten over et par årtier eller på tidsskalaer længere end et århundrede. Selv om Gfsv og Gfsv bidrager ligeligt til tcross, varierer Gfsv med en større mængde end GFSV på tværs af GCMs. Det er således SV-feedback, der stærkest styrer rækkevidden af tcross og de relative bidrag fra OLR og ASR til global energiakkumulering. Men i modeller med en tilstrækkelig negativ FSV (gfsv<0) kan tcross være i størrelsesordenen århundreder, selv med en stor og positiv LSV (g LSV>0). Generelt genvinder OLR på tidsplaner i århundreder i modeller med enten svage SV-feedbacks eller svage (eller negative) SV-tvang, og OLR genvinder på tidsplaner i flere årtier i modeller med moderate SV-feedbacks og SV-tvang. Dette resultat kan yderligere ses ved kun at variere i den lineære feedbackmodel. 1) og indstilling af B, B og C er lig med deres samlede middelværdier. De forudsagte værdier af tcross er i fremragende overensstemmelse (R2=0,98) med dem, der simuleres af GCMs (Fig. 4A), bortset fra to modeller med C meget større end ensemblets middelværdi. Det er vigtigt, at det kun er muligt at variere mellem modeller for at fange den klare adskillelse mellem (i) disse modeller med tcross i størrelsesordenen århundreder (sorte cirkler i Fig. 4A), hvor global energiakkumulering domineres af reduceret OLR, og (ii) disse modeller med tcross i størrelsesordenen årtier (farvede cirkler i Fig. 4A), hvor global energiakkumulering domineres af forbedret ASR og modsat af forbedret OLR.
(a) Scatterplot af tcross i CMIP5 4 liter CO2 simuleringer og dem, der forudsiges af den lineære feedback model. 8) ved hjælp af GCM-specifik GCM og GCM-ensemblet gennemsnitlig GCM, FSV og varmekapacitet. Udfyldningsfarven på hver cirkel angiver tcross for hver GCM i 4-liters CO2-simuleringen. Den sorte stiplede linje er 1: 1-linjen. (B) det samme som i A bortset fra at scatterplot er af SVÆRGEVÆRDIEN i simuleringerne på 1% CO2-stigning pr.
med disse indsigter i tankerne vender vi tilbage til ASR og OLR ‘ s relative roller i at drive global energiakkumulering under scenariet med 1% CO2-stigning pr. For at kvantificere de relative roller for forbedret ASR og reduceret OLR i forbigående energiakkumulering definerer vi SV-energiakkumuleringsforholdet (sværger) for at være forholdet mellem tidsintegreret energiakkumulering via forbedret ASR til den tidsintegrerede netto radiative ubalance (ASR-OLR) over 140 y af 1% CO2 − simuleringerne:SVERGE=Karr ASRdt Karr(ASR−OLR)dt.Værdier af sværge varierer betydeligt på tværs af GCMs (Fig. 4B), fra nær nul (energi akkumuleret primært af reduceret OLR) til nær tre (energi akkumuleret af forbedret ASR og tabt af forbedret OLR). Sværg mellem 0 og 1 indikerer energiakkumulering gennem både forbedret OLR og reduceret OLR, mens Sværg over 0,5 indikerer, at ASR bidrager med mere end halvdelen af den globale energiakkumulering. I multi-GCM-gennemsnittet er sværger 1,1, hvilket indikerer, at OLR ændrer sig lidt, og at nettoenergiakkumulering udelukkende opnås ved forbedret ASR (Fig. 1D).
dette interval af GCM-adfærd under langsomt stigende GHG-tvang følger direkte fra rækkevidden af OLR-gendannelsestidskalaer tcross identificeret ovenfor under en pludselig ændring i drivhusgasser, som igen er indstillet af intermodelforskelle i SV-feedbacks og tvang. Faktisk er den lineære feedback-model. 1 og 2 med parametre estimeret ud fra 4 liter CO2 som beskrevet ovenfor) itereret fremad under 1% CO2 indfanger multi-GCM ASR og OLR respons (stiplede linjer i Fig. 1D) og deres variationer på tværs af modeller. Den lineære feedbackmodel fanger således også Inter-GCM-variansen i sværge (95%), hvor langt størstedelen (85%) af Inter-GCM-variansen kun kan forklares ved at variere 4B).
Fig. 4B viser en klar adskillelse mellem modeller med SVÆRGELYST 0,5 (OLR-domineret) og modeller med SVÆRGELYST 1 (ASR-domineret). Desuden er modeller med SVÆRGERIST 0,5 dem med tcross i størrelsesordenen århundreder (Fig. 4B, sorte cirkler), og modeller med SVÆRGERIST 1 er de samme som dem med tcross i størrelsesordenen årtier (Fig. 4B, farvede cirkler). Denne stærke afhængighed af svær på tcross kan forstås ved at overveje responsen på 1% CO2 som overlejring af mange reaktioner på en øjeblikkelig CO2-tvang, hver initieret på et andet tidspunkt. Mere formelt kan den tid (tramp), hvor OLR vender tilbage til sin uforstyrrede værdi som reaktion på en lineær stigning i CO2−tvang, tilnærmes med (SI-tekst)tramp=LP1-1g lp=tetcross/lp.For modeller med tcross i størrelsesordenen årtier er tRAMP også i størrelsesordenen årtier, og SVÆRGEN er stor. For modeller med tcross i størrelsesordenen et århundrede er tRAMP i størrelsesordenen flere århundreder, og sværger er lille. Alt i alt forklarer tcross 83% af Inter-GCM variansen i sværge.