Kortbølge-og langbølge-strålingsbidrag til global oppvarming under økende CO2

SW Og LW-Bidrag til Energiakkumulering

Vi vurderer først mer detaljert DEN globale strålingsresponsen TIL CMIP5 GCMs til en abrupt GHG-tvinge (4× CO2) (vist I Fig. 2). Utviklingen AV OLR anomalier skiller seg bemerkelsesverdig Mellom GCMs (Fig. 2D). Vi karakteriserer dette spekteret av svar etter tiden (tcross) SOM DET tar FOR OLR å gå tilbake til sin uforstyrrede verdi*; tcross varierer fra 2 til 231 y, med et ensemble gjennomsnitt på 19 y (Se Fig. 4A).

for å tolke disse funnene bruker vi en vanlig linearisering av DET globale toa-energibudsjettet:d(C TS)dt=FSW+FLW+(λSW+λLW)TS, HVOR TS er den globale gjennomsnittlige overflatetemperaturavviket,Og C er den tidsavhengige globale varmekapasiteten. Eq. 1 relaterer frekvensen av global varmeinnholdsendring til frekvensen av global toa-energiakkumulering, som er gitt av summen AV SW og lw-strålingspådrivene (FSW og FLW) og strålingsponsene (λ og λ) (6). Anomalier I OLR og ASR kan videre uttrykkes asASR=FSW+λ

og-OLR=FLW+λ.

strålingsreferansene (λ og λ) kan estimeres for HVER GCM ved lineær regresjon AV ASR og OLR(Fig . 2 C og D) MED TS (Fig. 2A) over perioden etter 4× CO2, hvor strålingspådriv er tilnærmet konstant (7, 8). VIDERE KAN LW-og SW-komponentene AV CO2-tvang (FLW og FSW) estimeres VED TS=0-avskjæringen av regresjonen.† Tvinge-og tilbakemeldingsverdier FOR CMIP5 GCMs (Tabell S1) er i samsvar med de som er estimert Av Andrews et al. (10).

som definert Av Eq. 1, den effektive varmekapasiteten C (Fig. 2B) er den tidsintegrerte TOA energiakkumulering dividert MED TS. Det har lenge vært anerkjent at det ikke er noen enkelt varmekapasitet (eller karakteristisk avslapningstid) av klimasystemet (11). Faktisk øker C med tiden når varmen trenger inn under overflaten blandet lag og inn i havets indre (12⇓ ⇓-15). FOR CMIP5 GCMs tilsvarer C en tilsvarende havdyp på 50 m i det første tiåret etter 4× CO2 og øker over tid, og når en tilsvarende dybde på flere hundre meter etter et århundre (Fig. 2B). Tidsutviklingen Av C sammen med verdier AV SW og LW tilbakemeldinger og tvinge tillater en iterasjon Av Eq. 1 som nøyaktig gjengir overflatetemperaturresponsen TS for hver GCM (Fig . 2A). ASR og OLR spådd Av Eq. 2 er i utmerket avtale med sine respektive svar etter 4× CO2(Fig. 2 C og D) og står for det store flertallet (99%) av variansen i tcross på tvers av modellene. Dermed en enkel representasjon av klima tilbakemeldinger (Eqs. 1 og 2) er alt som trengs for å forstå responsen TIL ASR og OLR under GHG-tvang.Innsikt I GCM atferd kan oppnås ved å vurdere verdiene AV ASR og OLR som kreves for å nå TOA energibalanse (likevekt) med en pålagt GHG tvinge. Hvis tvinge og tilbakemeldinger handlet bare I LW(Som I Fig. 1A), VIL olr-anomali øke fra en verdi på-FLW = 0 etter 4× CO2 (Ekv. 2), og global energiakkumulering vil bli drevet helt av redusert OLR. I multi-GCM-midlet er det imidlertid en betydelig positiv SW-tilbakemelding av λ = 0,6 W m – 2 K-1 i tillegg til den negative lw-tilbakemeldingen av λ=-1,7 W m-2 K-1 (Fig. 3A). SOM et resultat øker ASR med oppvarming, noe som bidrar til global energiakkumulering. Dessuten forsterker den positive λ likevektstemperaturresponsen med en gevinstfaktor‡ (Gλ) på ∼1.5 i forhold til et system med KUN LW tilbakemeldinger, hvoregλ w≡1/(1+λ/λ).Multi-GCM-gjennomsnittet OLR må derfor øke med 1,5 FLW etter 4× CO2 (fra −FLW til 0,5 FLW) for å nå likevekt (Ekv. 2). DERMED RETURNERER OLR til sin uaffiserte verdi når 1FLW / 1.5 FLW≈66% av likevektstemperaturresponsen er realisert. Vi anslår denne tidsskalaen nedenfor. Hvis vi antar, for øyeblikket, at oppvarmingen over de første tiårene kan tilnærmes med en konstant varmekapasitet C, Eq. 1 kan lett løses for tidsutviklingen av overflatetemperaturen, noe som girts=Gλ (E-tt-1), wheret=−Cλ+λ.Av Eq. 4, vil den ∼66% av likevektstemperaturendringen som kreves for AT OLR skal komme seg til preindustriale verdier, oppnås ved omtrent samme tid τ; det vil si at tcross er omtrent lik τ i ensemblets gjennomsnitt. Hvis vi tar ensemblet gjennomsnittet Av C i løpet Av det første århundre av 4× CO2 simuleringer som en øvre grense på sin verdi i løpet av de første tiårene (C≈250 m Fra Fig. 2B), Deretter Eq. 5 gir en øvre grense på τ For ensemble betyr tilbakemeldingsverdier (Tabell S1), Eq. 5 gir τ ≈ 29 y, som er i god overensstemmelse med cmip5 ENSEMBLE mean olr RECOVERY timescale tcross = 19 y. for Alle tider etter tcross går energi tapt gjennom forbedret LW-UTSLIPP, og energiakkumulering skyldes utelukkende forbedret asr. Dermed er de relative bidragene FRA sw-og LW-anomalier til den totale energiakkumuleringen avhengig av tiden DET tar FOR OLR å returnere til og krysse sin uaffiserte verdi (tcross). I multi-GCM-gjennomsnittet tar OLR bare to tiår å gjenopprette, og dermed skyldes energiakkumulering hovedsakelig forbedret ASR.

Hva setter da det store spekteret av tcross over CMIP5 GCMs? Mens en betydelig del av likevektsoppvarming oppnås i løpet av de første tiårene i Alle GCMs (15, 18)—på grunn av den raske responsen til overflatekomponentene i klimasystemet (12) – ER asr-og OLR-responsene på oppvarming (og tcross) avhengig AV SW-og LW-tilbakemeldingene, som varierer vesentlig (Fig. 3A). Avhengigheten av tcross på tilbakemeldingsparametrene kan ses eksplisitt ved å løse den lineære tilbakemeldingsmodellen for tcross (under antagelsen OM AT FSW = 0). Erstatte Eq. 4 Til Eq. 2 og identifiserer T = tcross som tidspunktet DA OLR = 0 gir FLW=Flwgλ (etcross / τ−1), som har løsningentcross=−τ ⁡ ln(1−1gλ).

Eq. 6 viser AT olr-gjenopprettingstiden er proporsjonal med (i) den strålingsbare e-foldingstidsskalaen τ, som er i størrelsesorden flere tiår, og (ii) en faktor ln(1-1/Gλ)=ln(−λw/λ), som er ≈1 i multi-GCM-gjennomsnittet, men varierer med to størrelsesordener over Gcm. En positiv SW-tilbakemelding forsterker oppvarming, og forbedrer DERMED OLR-responsen og reduserer tidsskalaen for OLR-gjenoppretting. Videre er tcross langt mer følsom for endringer i λ enn λ over parameterplassen realisert i GCMs(kurver I Fig . 3A), noe som tyder på at intermodellforskjellene i tcross primært styres av variasjoner i SW-tilbakemeldinger. Dette resultatet stammer fra en fundamental asymmetri i avhengigheten AV OLR på λ og λ: en mer positiv λ virker for å forsterke oppvarmingen, noe som forbedrer OLR og reduserer tcross; en mindre negativ λ virker på samme måte for å forsterke oppvarmingen, noe som forbedrer OLR, men det reduserer OGSÅ OLR-responsen per GRAD TS-endring (Ekv. 2), helt kjorer bare sma endringer i tcross.

Til tross for sine mange forenklinger, Eq. 6 gir et rimelig estimat av tcross som simulert Av GCMs, og forklarer 66% av variansen på tvers av modeller (Fig. 3A). Spesielt fanger den i stor grad DEN korte OLR-gjenopprettingstiden i CMIP5-modellene med store og positive ④w-verdier og den lange OLR-gjenopprettingstiden i modeller med en nær null λ. Det er imidlertid noen få bemerkelsesverdige unntak, hvor Eq. 6 spår en vesentlig mindre tcross enn det er realisert. tcross er underestmated i disse modellene fordi vi ennå ikke har redegjort FOR SW-komponenten AV CO2-tvang, noe som er betydelig i noen Få Gcm på grunn av de raske skyjusteringene som skjer på tidsskalaer raskere enn overflatetemperaturendringer. Analogt MED sw tilbakemeldingssaken diskutert ovenfor, forsterker SW tvinge likevektstemperaturresponsen med EN SW tvinge gevinstfaktor, GFSW, i forhold til systemet med LW tvinge bare: GFSW≡1 + FSWFLW.

et positivt SW-pådriv forsterker oppvarmingen, forsterker OLR-responsen og reduserer tcross, mens et negativt SW-pådriv reduserer oppvarmingen, reduserer OLR-responsen og øker tcross. Inkludert effekten AV SW tilbakemeldinger og tvinge sammen gir en enkel forlengelse Av Eq. 6, hvor gevinsten er multiplikativ(SI-Tekst): tcross= – τ ⁡ ln (1−1gλ w gfsw).i multi-gcm-GJENNOMSNITTET ER fsw relativt liten (tabell S1), noe som gir gfsw≈1.1 og modifiserer tcross lite fra det som forutsies av eq. 6. I noen modeller er FSW imidlertid en betydelig brøkdel AV DEN totale CO2-tvingingen (Fig. 3B), og dermed har det stor innvirkning på tcross. MED FSW tatt i betraktning, Eq. 8 gir et utmerket estimat av tcross som simulert Av GCMs, og forklarer 78% av variansen på tvers av modeller.

hvis en konstant verdi τ ≈ 29 y brukes i eq. 8, avhengigheten av tcross på tilbakemelding og tvinge gevinster kan visualiseres (kurver I Fig. 3B). tcross har svært bratte gradienter i regionen Der produktet Av Gλ og GFSW nærmer seg en, noe som fører til en bimodal distribusjon av tcross, MED OLR tilbake til uforstyrrede verdier enten over et par tiår eller på tidsskalaer lenger enn et århundre. Selv Om G Hryvsw og GFSW bidrar likt til tcross, varierer Gλ med et større beløp enn GFSW på Tvers Av GCMs. Dermed er DET SW-tilbakemelding som mest kontrollerer rekkevidden av tcross og de relative bidragene FRA OLR og ASR til global energiakkumulering. Men i modeller med en tilstrekkelig negativ FSW(GFSW < 0), tcross kan være på rekkefølgen av århundrer, selv med en stor og positiv λ (Gλ> 0). GENERELT gjenoppretter OLR på tidsskalaer av århundrer i modeller med enten svake SW-tilbakemeldinger eller svake (eller negative) SW-tvang, OG OLR gjenoppretter på tidsskalaer av flere tiår i modeller med moderate sw-tilbakemeldinger og SW-tvang. Dette resultatet kan ses ytterligere ved å variere bare λ og FSW i den lineære tilbakemeldingsmodellen (Eq. 1) og sette λ, FLW og C lik deres ensemble middelverdier. De forutsagte verdiene for tcross er i utmerket avtale (R2=0,98) med de simulert Av GCMs (Fig. 4A), bortsett fra to modeller Med C mye større enn ensemblets middelverdi. Det er viktig at det bare er tilstrekkelig å tillate at bare λ og FSW varierer mellom modeller, for å fange opp den klare separasjonen mellom (i) de modellene med tcross i rekkefølge av århundrer (svarte sirkler I Fig. 4A), hvor global energiakkumulering domineres av redusert OLR, og (ii) de modellene med tcross i rekkefølge av tiår (fargede sirkler I Fig. 4A), hvor global energiakkumulering domineres av forbedret ASR og motsatt av forbedret OLR.

Med disse innsiktene i tankene, går vi tilbake til DE relative rollene TIL ASR og OLR i å drive global energiakkumulering under 1% CO2-økningen per år-scenariet, hvor GHG-konsentrasjonene øker sakte over tid, som i naturen, i stedet for plutselig firedobling. FOR å kvantifisere de relative rollene til forbedret ASR og redusert OLR i forbigående energiakkumulering, definerer VI SW – energiakkumuleringsforholdet (SWEAR) til å være forholdet mellom tidsintegrert energiakkumulering via forbedret ASR til den tidsintegrerte netto strålingsubalansen(ASR-OLR) over 140 y av 1% CO2-simuleringene:swear=∫ASRdt∫(ASR − OLR)dt.Verdiene AV SVERGE varierer betydelig over GCMs (Fig. 4B), fra nær null (energi akkumulert hovedsakelig ved redusert OLR) til nær tre (energi akkumulert av forbedret ASR og tapt ved forbedret OLR). SVERGER mellom 0 og 1 indikerer energiakkumulering gjennom både forbedret OLR og redusert OLR, MENS SVERGER over 0,5 indikerer AT ASR bidrar til mer enn halvparten av global energiakkumulering. I multi-GCM-gjennomsnittet ER SWEAR 1.1, noe som indikerer AT OLR endrer seg lite, og at netto energiakkumulering oppnås helt ved forbedret ASR(Fig . 1D).

dette SPEKTERET AV GCM-oppførsel under langsomt økende GHG-tvang følger direkte fra rekkevidden AV OLR-utvinningstidsskalaer tcross identifisert ovenfor under en brå endring i Drivhusgasser, som i sin tur er satt av intermodellforskjeller I SW-tilbakemeldinger og tvinge. Den lineære tilbakemeldingsmodellen (Eqs. 1 og 2 med parametere estimert fra 4× CO2 som beskrevet ovenfor) iterert fremover under 1% CO2 fanger multi-GCM ASR og OLR respons (stiplede linjer I Fig. 1D) og deres variasjoner på tvers av modeller. Den lineære tilbakemeldingsmodellen fanger dermed også inter-GCM-variansen i SWEAR (95%), hvor det store flertallet (85%) av inter-GCM-variansen kun kan forklares med varierende λ og FSW (med λ, FLW og C satt til deres ensemble-midler som ovenfor) (Fig . 4B).

Fig. 4B viser et klart skille mellom modeller med SVERGE ≤0.5 (OLR-dominert) og modeller med SVERGE ≥1 (ASR-dominert). Dessuten, modeller MED sverge ≤0.5 er de med tcross på rekkefølgen av århundrer (Fig. 4B, svarte sirkler) og modeller MED sverge ≥1 er de samme som de med tcross i rekkefølge av tiår (Fig. 4B, fargede sirkler). DENNE sterke avhengigheten AV SWEAR på tcross kan forstås ved å vurdere responsen på 1% CO2 som superposisjon av mange svar på en øyeblikkelig CO2-tvang, hver initiert på en annen tid. Mer formelt kan tidspunktet (tramp) FOR NÅR OLR returnerer til sin uaffiserte verdi som svar på en lineær økning i CO2−tvang, tilnærmet med (SI Tekst)tramp=τ1-1gλw GFSW=tetcross/τ.For modeller med tcross i rekkefølge av flere tiår, er tRAMP også i rekkefølge av flere tiår, OG SWEAR er stor. For modeller med tcross på rekkefølgen av et århundre, er tRAMP på rekkefølgen av flere århundrer, OG SVERGER er liten. Til sammen forklarer tcross 83% av inter-GCM-variansen I SWEAR.