SW-en LW-bijdragen aan Energieaccumulatie
we bekijken eerst meer in detail de Globale stralingsrespons van de CMIP5 GCMs op een abrupte BKG-forcering (4× CO2) (zie Fig. 2). De evolutie van OLR-anomalieën verschilt Opmerkelijk tussen GCMs (Fig. 2D). We karakteriseren dit bereik van reacties tegen de tijd (tcross) dat het nodig heeft om OLR terug te keren naar zijn onverstoorde waarde*; tcross varieert van 2 tot 231 y, met een ensemble gemiddelde van 19 y (zie Fig. 4A).
(A) tijdreeks van de globale gemiddelde temperatuurverandering van het oppervlak in de CMIP5 4× CO2-simulaties. De individuele modellen worden aangegeven door de gekleurde lijnen en kleurgecodeerd door de temperatuurverandering bij jaar 150 (de kleurbalk is voorzien in het midden van de figuur). Het gemiddelde van het ensemble wordt weergegeven door de gestippelde zwarte lijn. (B) de warmtecapaciteit van het klimaatsysteem, gedefinieerd als de wereldwijde tijdgeïntegreerde energieaccumulatie gedeeld door de oppervlaktetemperatuur (Eq. 1) gegeven in eenheden van de effectieve diepte van een kolom van Oceaan (linkeras) en eenheden van radiatieve e-vouwtijdschaal (negatief van warmtecapaciteit gedeeld door het ensemble gemiddelde netto stralingsfeedback λLW+λSW=-1.1 W m−2 K−1; rechteras). (C) tijdreeksen van de ASR-respons, waarbij de vaste lijnen de GCM-waarden zijn en de gestippelde lijnen de voorspellingen zijn van het lineaire feedbackmodel (MKN). 1 en 2) met behulp van de GCM-specifieke warmtecapaciteit, forcings, en feedback. De effen zwarte lijn is het ensemble gemiddelde van de GCM, en de gestippelde zwarte lijn is de voorspelling van de lineaire feedback model met behulp van het ensemble gemiddelde warmtecapaciteit, forcings, en feedback. (D) hetzelfde als in C, met uitzondering van de OLR-respons.
om deze bevindingen te interpreteren gebruiken we een veelgebruikte linearisatie van het globale Toa energiebudget:d(C TS)dt=FSW+FLW+(λSW+λLW)TS,waarbij TS de globale gemiddelde oppervlakte temperatuur anomalie is, en C de tijdafhankelijke globale warmtecapaciteit. Eq. 1 relateert de snelheid van de verandering van de Globale warmteinhoud aan de snelheid van de Globale energieaccumulatie, die wordt gegeven door de som van SW en LW stralingsforcings (FSW en FLW) en stralingsreacties (λSWTS en λLWTS) (6). Afwijkingen in OLR en ASR kunnen verder worden uitgedrukt als asASR=FSW+λSWTS
en-OLR=FLW+λLWTS.
De stralingsfeedbacks (λSW en λLW) kunnen voor elke GCM worden geschat door lineaire regressie van ASR en OLR (Fig. 2 C en D) met TS (vijg. 2A) over de periode na 4× CO2, waarbij de stralingsforcering ongeveer constant is (7, 8). Bovendien kunnen de LW-en SW-componenten van CO2-forcering (FLW en FSW) worden geschat door de TS=0-onderschepping van de regressie.† Forcering en feedback waarden voor de CMIP5 GCMs (tabel S1) zijn consistent met die geschat door Andrews et al. (10).
zoals gedefinieerd door Eq. 1, de efficiënte warmtecapaciteit C (vijg. 2B) is de in de tijd geïntegreerde Toa-energieaccumulatie gedeeld door TS. Het is al lang bekend dat er geen enkele warmtecapaciteit (of karakteristieke ontspanningstijd) van het klimaatsysteem is (11). Inderdaad, C neemt toe met de tijd als warmte doordringt onder de oppervlakte gemengde laag en in het oceaaninterieur (12⇓ ⇓-15). Voor de CMIP5 GCMs komt C overeen met een gelijkwaardige oceaandiepte van 50 m in het eerste decennium na 4× CO2 en neemt in de loop van de tijd toe en bereikt na een eeuw een gelijkwaardige diepte van enkele honderden meter (Fig. 2B). De tijd evolutie van C samen met de waarden van SW en LW feedbacks en forcing maken een iteratie van Eq. 1 die nauwkeurig de oppervlaktetemperatuurrespons ts van elke GCM reproduceert (Fig. 2 bis). ASR en OLR voorspeld door Eq. 2 zijn het uitstekend eens met hun respectieve antwoorden na 4× CO2 (Fig. 2 C en D) en zijn verantwoordelijk voor de overgrote meerderheid (99%) van de variantie in tcross tussen de modellen. Dus, een eenvoudige weergave van klimaat feedback (MKN. 1 en 2) is alles wat nodig is om de reactie van ASR en OLR Onder het forceren van BKG te begrijpen.
inzicht in het GCM-gedrag kan worden verkregen door rekening te houden met de waarden van ASR en OLR die nodig zijn om een energiebalans (evenwicht) te bereiken met een opgelegde BKG-forcering. Als forcing en feedback handelde alleen in de LW (zoals in Fig. 1A) zou de OLR −anomalie toenemen van een waarde van-FLW = 0 na 4× CO2 (Eq. 2), en wereldwijde energieaccumulatie zou volledig worden gedreven door verminderde OLR. In het multi-GCM gemiddelde is er echter een aanzienlijke positieve SW feedback van λSW=0,6 W m-2 K-1 naast de negatieve LW feedback van λLW=-1,7 W m-2 K-1 (Fig. 3A). Als gevolg hiervan neemt ASR toe met de opwarming, wat bijdraagt aan de wereldwijde energieaccumulatie. Bovendien versterkt de positieve λSW de reactie van de evenwichtstemperatuur met een versterkingsfactor‡ (GλSW) van ∼1.5 ten opzichte van een systeem met alleen LW feedbacks, waarbij gλsw≡1/(1+λSW/λLW).Het multi-GCM gemiddelde OLR moet daarom met 1,5 FLW stijgen na 4× CO2 (van-FLW tot 0,5 FLW) om een evenwicht te bereiken (Eq. 2). Zo keert OLR terug naar zijn onverstoorde waarde wanneer 1FLW/1,5 FLW≈66% van de evenwichtstemperatuur respons is gerealiseerd. We schatten deze tijdschaal hieronder. Als we op dit moment aannemen dat de opwarming van de aarde in de eerste decennia kan worden benaderd met een constante warmtecapaciteit C, Eq. 1 kan gemakkelijk worden opgelost voor de tijd evolutie van de oppervlaktetemperatuur, givingTS=GλSWFLWλLW(e−tt−1),waarbij=−CλLW+λSW.Van Eq. 4, De 66% van de evenwichtstemperatuurverandering die nodig is om OLR terug te brengen tot pre-industriële waarden, zal worden bereikt op ongeveer tijdstip τ; dat wil zeggen, tcross is ongeveer gelijk aan τ in het ensemblegemiddelde. Nemen we het ensemblegemiddelde van C over de eerste eeuw van de 4× CO2-simulaties als bovengrens van zijn waarde over de eerste decennia (C≈250 m van Fig. 2B), dan Eq. 5 geeft een bovengrens aan τ. Voor ensemble mean feedback values (tabel S1), Eq. 5 geeft τ≈29 y, wat in goede overeenstemming is met het CMIP5 ensemble gemiddelde OLR recovery tijdschaal tcross=19 y. voor alle tijden na tcross gaat energie verloren door verhoogde LW emissie, en energieaccumulatie is uitsluitend te wijten aan verbeterde ASR. De relatieve bijdragen van afwijkingen van SW en LW aan de totale energieaccumulatie hangen dus direct af van de tijd die nodig is voor OLR om terug te keren naar en haar onverstoorde waarde (tcross) te kruisen. In het multi-GCM gemiddelde, OLR duurt slechts twee decennia om te herstellen, en dus, energieaccumulatie is voornamelijk te wijten aan verbeterde ASR.
(A) contouren tonen de gevoeligheid van tcross voor LW-en SW-feedbackparameters (λLW en λSW) in het lineaire feedbackmodel (Eq. 6) ervan uitgaande dat de forcering alles in de LW is en met behulp van een tijdinvariante warmtecapaciteit van 250 m oceaandiepte-equivalent-het GCM gemiddelde over de eerste eeuw. Het gearceerde zwarte gebied is de parameterruimte waarover geen evenwichtsoplossing bestaat, en het gearceerde roze gebied is de parameterruimte waarover de OLR nooit terugkeert naar zijn onverstoorde waarde. De individuele GCM resultaten worden gegeven door de cirkels, die kleur-gecodeerd door tcross (de kleur balk wordt verstrekt in het midden van de figuur). De grijze ellips en de gestippelde lijnen vertegenwoordigen de observationele schattingen van λLW en λSW ± 1 SD (σ). (B) de gevoeligheid van tcross voor de SW forcing gain (GFSW) en SW feedback gain (GλSW) uitgaande van τ 29 29 y (Het GCM gemiddelde over de eerste eeuw) in Eq. 8.
Wat stelt dan het grote bereik van tcross over de CMIP5 GCMs? Terwijl in de eerste decennia in alle GCMs (15, 18)—door de snelle reactie van de oppervlaktecomponenten van het klimaatsysteem (12)—een aanzienlijk deel van de evenwichtsverwarming wordt bereikt, zijn de ASR-en OLR-reacties op opwarming (en tcross) afhankelijk van de SW-en LW-feedback, die aanzienlijk variëren (Fig. 3A). De afhankelijkheid van tcross van de feedback parameters kan expliciet worden gezien door het oplossen van het lineaire feedback model voor tcross (onder de aanname dat FSW = 0). Vervangen Van Eq. 4 in Eq. 2 en het identificeren van t = tcross als de tijd waarin OLR = 0 FLW=FLWGλSW(etcross/τ−1) geeft, die de oplossingstcross=−τ ln ln(1−1GλSW) heeft.
Eq. 6 laat zien dat de OLR-hersteltijd evenredig is met (i) de radiatieve e−vouwtijdschaal τ, die in de Orde van enkele decennia ligt, en (ii) een factor ln(1-1/GλSW)=ln (- λSW/λLW), die ≈1 is in het multi-GCM gemiddelde maar twee ordes van grootte varieert in het GCMs. Een positieve SW-feedback versterkt de opwarming en verbetert zo de OLR-respons en vermindert de tijdschaal voor OLR-herstel. Bovendien is tcross veel gevoeliger voor veranderingen in λSW dan λLW over de parameterruimte gerealiseerd in de GCMS (krommen in Fig. 3A), wat suggereert dat de intermodale verschillen in tcross in de eerste plaats worden beheerst door variaties in SW feedback. Dit resultaat vloeit voort uit een fundamentele asymmetrie in de afhankelijkheid van OLR van λSW en λLW: een meer positieve λSW werkt om de opwarming te versterken, wat OLR versterkt en tcross vermindert; een minder negatieve λLW werkt op dezelfde manier om de opwarming te versterken, wat OLR versterkt, maar het vermindert ook de OLR-respons per graad TS verandering (Eq. 2), alles bij elkaar alleen kleine veranderingen in tcross.
ondanks de vele vereenvoudigingen, Eq. 6 geeft een redelijke schatting van tcross zoals gesimuleerd door het GCMs, wat 66% van de variantie tussen modellen verklaart (Fig. 3A). In het bijzonder vangt het in grote lijnen de korte OLR-hersteltijd in de CMIP5-modellen met grote en positieve λSW-waarden en de lange OLR-hersteltijd in modellen met een nabij nul λSW. Er zijn een paar opmerkelijke uitzonderingen, echter, waar Eq. 6 voorspelt een aanzienlijk kleiner tcross dan wordt gerealiseerd. tcross is in deze modellen ondergewaardeerd omdat we nog geen rekening hebben gehouden met de SW-component van CO2-forcering, die aanzienlijk is in een paar GCM ‘ s vanwege de snelle wolkaanpassingen die op tijdschalen sneller plaatsvinden dan oppervlaktetemperatuurveranderingen. Analoog aan het hierboven besproken SW-feedbackgeval, versterkt SW forcing de evenwichtstemperatuurrespons met een SW forcing gain factor, gfsw, ten opzichte van het systeem met alleen LW forcing:GFSW 1 1+FSWFLW.
een positieve SW-forcering versterkt de opwarming, versterkt de OLR-respons en vermindert tcross, terwijl een negatieve SW-forcering de opwarming vermindert, de OLR-respons vermindert en tcross verhoogt. Met inbegrip van de effecten van SW feedback en forceren samen geeft een eenvoudige uitbreiding van Eq. 6, waarin de winsten multiplicatief zijn(SI-tekst): tcross=−τ ln ln(1−1gλsw GFSW). in het multi-GCM gemiddelde is FSW relatief klein (tabel S1), wat gfsw≈1.1 geeft en tcross weinig wijzigt ten opzichte van die voorspeld door Eq. 6. In sommige modellen is FSW echter een substantieel deel van de totale CO2-forcering (Fig. 3B), en dus heeft het een grote impact op tcross. Met FSW rekening gehouden, Eq. 8 geeft een uitstekende schatting van tcross zoals gesimuleerd door de GCMs, en verklaart 78% van de variantie tussen modellen.
indien in Eq een constante waarde τ≈29 y wordt gebruikt. 8, de afhankelijkheid van tcross op de feedback en het forceren winsten kunnen worden gevisualiseerd (krommen in Fig. 3B). tcross heeft zeer steile hellingen in het gebied waar het product van GλSW en GFSW één nadert, wat leidt tot een bimodale verdeling van tcross, waarbij OLR terugkeert naar onverstoorde waarden over een paar decennia of op tijdschalen langer dan een eeuw. Hoewel GλSW en GFSW in gelijke mate bijdragen aan tcross, varieert GλSW in de GCMs met een grotere mate dan gfsw. Het is dus SW-feedback die het bereik van tcross en de relatieve bijdragen van OLR en ASR aan de wereldwijde energieaccumulatie het sterkst beheerst. In modellen met een voldoende negatieve FSW (GFSW<0) kan tcross echter in de Orde van eeuwen zijn, zelfs met een grote en positieve λSW (GλSW>0). In het algemeen herstelt OLR op tijdschalen van eeuwen in modellen met zwakke SW feedbacks of zwakke (of negatieve) SW forcing, en OLR herstelt op tijdschalen van enkele decennia in modellen met matige SW feedbacks en SW forcing. Dit resultaat kan verder worden gezien door alleen λSW en FSW te variëren in het lineaire feedback model (Eq. 1) en het instellen van λLW, FLW en C gelijk aan hun ensemble gemiddelde waarden. De voorspelde waarden van tcross zijn in uitstekende overeenstemming (R2 = 0,98) met die gesimuleerd door het GCMs (Fig. 4A), met uitzondering van twee modellen met C veel groter dan de ensemble gemiddelde waarde. Belangrijk is dat alleen λSW en FSW kunnen variëren tussen modellen voldoende is om de duidelijke scheiding vast te leggen tussen (i) die modellen met tcross in de Orde van eeuwen (zwarte cirkels in Fig. 4A), waar de wereldwijde energieaccumulatie wordt gedomineerd door gereduceerde OLR, en (ii) die modellen met tcross in de Orde van decennia (gekleurde cirkels in Fig. 4A), waar de wereldwijde energieaccumulatie wordt gedomineerd door verbeterde ASR en tegengesteld door verbeterde OLR.
(A) verstrooiing van tcross in de CMIP5 4× CO2-simulaties en die voorspeld door het lineaire feedbackmodel (Eq. 8) met behulp van de GCM-specifieke λSW en FSW de GCM ensemble gemiddelde λLW, FSW, en warmtecapaciteit. De vulkleur van elke cirkel geeft de tcross van elke GCM aan in de 4× CO2-simulatie. De zwarte stippellijn is de 1: 1 lijn. (B) hetzelfde als in A, met uitzondering van het feit dat het verstrooiingsschema van de VLOEKWAARDE is in de simulaties met 1% CO2-toename per jaar.
Met deze inzichten in het achterhoofd keren we terug naar de relatieve rollen van ASR en OLR in het aansturen van wereldwijde energieaccumulatie Onder het 1% CO2-toename per jaar scenario, waar de BKG-concentraties langzaam toenemen in de tijd, zoals in de natuur, in plaats van abrupt verviervoudigen. Om de relatieve rollen van verbeterde ASR en gereduceerde OLR in transiënte energieaccumulatie te kwantificeren, definiëren we de SW energieaccumulatie ratio (SWEAR) als de verhouding van tijd-geïntegreerde energieaccumulatie via verbeterde ASR tot de tijd-geïntegreerde netto radiatieve onbalans (ASR − OLR) over de 140 y van de 1% CO2 simulaties:SWEAR=SWEAR ASRdt∫(ASR−OLR)dt.De waarden van vloek variëren aanzienlijk over de GCMs (Fig. 4B), van bijna nul (energie die voornamelijk wordt geaccumuleerd door gereduceerde OLR) tot bijna drie (energie die wordt geaccumuleerd door verbeterde ASR en verloren gaat door verbeterde OLR). De zweer tussen 0 en 1 duidt op energie-accumulatie door zowel verbeterde OLR als verminderde OLR, terwijl de zweer boven 0.5 aangeeft dat ASR meer dan de helft van de wereldwijde energie-accumulatie bijdraagt. In de multi-GCM gemiddelde, zweer is 1.1, wat aangeeft dat OLR weinig verandert en dat de netto energieaccumulatie volledig wordt bereikt door verbeterde ASR (Fig. 1D).
Dit bereik van GCM-gedrag onder langzaam toenemende BKG-forcering volgt direct uit het bereik van OLR-hersteltijdschalen tcross dat hierboven is vastgesteld onder een abrupte verandering in BKG ‘ s, die op zijn beurt wordt bepaald door intermodale verschillen in SW-feedbacks en forcering. Inderdaad, Het lineaire feedback model (MKN. 1 en 2 met parameters geschat op basis van 4 × CO2 zoals hierboven beschreven) itereren naar voren onder 1% CO2 vangt de multi-GCM ASR en OLR respons (gestippelde lijnen in Fig. 1D) en hun variaties tussen modellen. Het lineaire feedbackmodel vangt dus ook de inter-GCM variantie in zweer (95%), waar de overgrote meerderheid (85%) van de inter-GCM variantie kan worden verklaard door het variëren van λSW en FSW alleen (met λLW, FLW, en C ingesteld op hun ensemble middelen zoals hierboven) (Fig. 4B).
Fig. 4B toont een duidelijke scheiding tussen modellen met vloek ≤0,5 (OLR-gedomineerd) en modellen met vloek ≥1 (ASR-gedomineerd). Bovendien zijn modellen met vloek ≤0.5 die met tcross in de Orde van eeuwen (Fig. 4B, zwarte cirkels), en modellen met vloek ≥1 zijn hetzelfde als die met tcross in de Orde van decennia (Fig. 4B, gekleurde cirkels). Deze sterke afhankelijkheid van vloeken op tcross kan worden begrepen door de reactie op 1% CO2 te beschouwen als de superpositie van vele reacties op een momentane CO2-forcering, die elk op een ander moment worden geïnitieerd. Meer formeel kan de tijd (tramp) waarop OLR terugkeert naar zijn onverstoorbare waarde als reactie op een lineaire toename van CO2−forcering worden benaderd door (SI-tekst)tramp=τ1-1GλSW GFSW=tetcross/τ.Voor modellen met tcross op de Orde van decennia, tRAMP is ook op de Orde van decennia, en zweren is groot. Voor modellen met tcross op de Orde van een eeuw, tRAMP is op de Orde van enkele eeuwen, en zweren is klein. In totaal verklaart tcross 83% van de inter-GCM variantie in zweer.