Krótkofalowe i długofalowe radiacyjne wkłady do globalnego ocieplenia pod rosnącym CO2

SW i LW wkład do akumulacji energii

najpierw rozważamy bardziej szczegółowo globalną odpowiedź radiacyjną Cmip5 GCMs na nagłe wymuszanie emisji gazów cieplarnianych (4× CO2) (pokazane na Fig. 2). Ewolucja anomalii OLR różni się znacznie między GCMs (rys. 2D). Scharakteryzujemy ten zakres odpowiedzi przez czas (tcross), którego potrzeba, aby OLR powrócił do wartości niespokojnej*; tcross waha się od 2 do 231 y, ze średnią zespoloną 19 y (patrz Rys. 4a).

aby zinterpretować te ustalenia, stosujemy powszechnie stosowaną linearyzację globalnego budżetu energetycznego TOA:d(c TS)dt=FSW+FLW+(λSW+λLW)TS,gdzie TS to globalna średnia anomalia temperatury powierzchni, A C to globalna pojemność cieplna zależna od czasu. Eq. 1 odnosi się do szybkości globalnej zmiany zawartości ciepła do szybkości globalnej akumulacji energii Toa, która jest określona przez sumę wymuszeń radiacyjnych SW i LW (FSW i FLW) oraz odpowiedzi radiacyjnych (λSWTS i λLWTS) (6). Anomalie w OLR i ASR mogą być dalej wyrażone jako ASR=FSW+λSWTS

i−OLR=FLW+λLWTS.

radiacyjne sprzężenia zwrotne (λSW i λLW) można oszacować dla każdego GCM za pomocą regresji liniowej ASR i OLR (rys. 2 C i D) z TS (rys. 2A) w okresie po 4× CO2, w którym wymuszanie radiacyjne jest w przybliżeniu stałe (7, 8). Co więcej, składniki LW i SW wymuszania CO2 (FLW i FSW) można oszacować na podstawie punktu przecięcia regresji TS=0.† Wymuszanie i wartości sprzężenia zwrotnego dla Cmip5 GCMs (tabela S1) są zgodne z tymi szacowanymi przez Andrews et al. (10).

zgodnie z definicją w Eq. 1, Efektywna pojemność cieplna C (rys. 2B) to czasowa akumulacja energii Toa podzielona przez TS. Od dawna uznaje się, że nie ma jednej pojemności cieplnej (lub charakterystycznego czasu relaksacji) systemu klimatycznego (11). Rzeczywiście, C wzrasta z czasem, gdy ciepło przenika pod powierzchnią warstwy mieszanej i do wnętrza Oceanu (12 ⇓ ⇓ -15). Dla Cmip5 GCMs, C odpowiada równoważnej głębokości oceanu 50 m w pierwszej dekadzie po 4× CO2 i rośnie w czasie, osiągając równoważną głębokość kilkuset metrów po stuleciu (rys. 2b). Ewolucja czasu C wraz z wartościami sprzężeń zwrotnych SW i LW oraz wymuszeniem pozwalają na iterację Eq. 1, który dokładnie odtwarza reakcję temperatury powierzchni TS każdego GCM (rys. 2A). ASR i OLR przewidywane przez Eq. 2 są w doskonałej zgodzie ze swoimi odpowiedziami po 4× CO2 (rys. 2 C i D) i stanowią zdecydowaną większość (99%) wariancji w tcross we wszystkich modelach. W ten sposób prosta reprezentacja sprzężeń klimatycznych (Eqs. 1 i 2) to wszystko, co jest potrzebne, aby zrozumieć reakcję ASR i OLR pod wymuszaniem gazów cieplarnianych.

wgląd w zachowanie GCM można uzyskać, rozważając wartości ASR i OLR wymagane do osiągnięcia bilansu energetycznego TOA (równowagi) z narzuconym wymuszeniem GHG. Jeśli wymuszanie i sprzężenia zwrotne działały tylko w LW(jak na Rys. 1A), anomalia OLR wzrośnie z wartości-FLW = 0 po 4× CO2 (równoważnik. 2), a globalna akumulacja energii byłaby napędzana całkowicie przez zmniejszenie OLR. W średniej multi-GCM występuje jednak znaczne dodatnie sprzężenie zwrotne SW λSW=0,6 W m-2 K-1 oprócz ujemnego sprzężenia zwrotnego LW λLW=-1,7 w m−2 K−1 (Fig. 3A). W rezultacie ASR wzrasta wraz z ociepleniem, przyczyniając się do globalnej akumulacji energii. Ponadto dodatnie λSW wzmacnia reakcję temperatury równowagi o współczynnik wzmocnienia‡ (GλSW) wynoszący ∼1.5 w stosunku do Układu z tylko sprzężeniami zwrotnymi LW, gdzieλsw≡1/(1+λSW/λLW).Średnia OLR dla wielu GCM musi zatem wzrosnąć o 1,5 FLW po 4× CO2 (od-FLW do 0,5 FLW), aby osiągnąć równowagę (równość. 2). W ten sposób OLR powraca do wartości nienapędzonej, gdy 1flw / 1,5 FLW≈66% odpowiedzi temperatury równowagi zostało zrealizowane. Szacujemy ten termin poniżej. Jeśli na razie założymy, że ocieplenie w ciągu pierwszych kilkudziesięciu lat może być przybliżone ze stałą pojemnością cieplną C, Eq. 1 można łatwo rozwiązać dla czasu ewolucji temperatury powierzchni, podając = GλSWFLWλLW (e-tt-1), wheret= – CλLW+λSW.Z Eq. 4, ∼66% zmiany temperatury równowagi wymaganej do powrotu OLR do wartości preindustrialnych zostanie osiągnięte w przybliżeniu w czasie τ; to znaczy, tcross jest w przybliżeniu równy τ w średniej zespołu. Jeśli weźmiemy średnią c z pierwszego wieku symulacji 4× CO2 jako górną granicę jego wartości w ciągu pierwszych kilku dekad (C≈250 m z Fig. 2B), następnie Eq. 5 zapewnia górną granicę na τ. Dla łącznych średnich wartości sprzężenia zwrotnego (tabela S1), Eq. 5 daje τ≈29 y, co jest w dobrej zgodzie z zespołem cmip5 oznacza średni czas odzyskiwania OLR tcross=19 y. dla wszystkich czasów po tcrossie energia jest tracona przez zwiększoną emisję LW, A akumulacja energii jest wyłącznie dzięki ulepszonemu ASR. W związku z tym względny udział anomalii SW i LW w całkowitej akumulacji energii zależy bezpośrednio od czasu, jakiego potrzebuje OLR, aby powrócić i przekroczyć swoją wartość unperturbed (tcross). W średniej multi-GCM regeneracja OLR trwa tylko dwie dekady, a zatem akumulacja energii wynika przede wszystkim z ulepszonego ASR.

co zatem ustawia duży zakres tcross w Cmip5 GCMs? Podczas gdy znaczna część ocieplenia równowagi jest osiągana w ciągu pierwszych kilku dekad we wszystkich GCMs (15, 18)—ze względu na szybką reakcję powierzchniowych elementów układu klimatycznego (12)—reakcje ASR i OLR na ocieplenie (i tcross) zależą od sprzężeń zwrotnych SW i LW, które znacznie się różnią (rys. 3A). Zależność tcross od parametrów sprzężenia zwrotnego można wyraźnie zobaczyć, rozwiązując liniowy model sprzężenia zwrotnego dla tcross (przy założeniu, że FSW = 0). Zastępowanie Eq. 4 w Eq. 2 i identyfikowanie t = tcross jako czasu, gdy OLR = 0 daje FLW=FLWGλSW(etcross/τ−1), który ma rozwiązanie tcross=−τ⁡LN(1−1gλsw).

Eq. 6 ujawnia, że czas odzyskiwania OLR jest proporcjonalny do (i) radiacyjnej skali czasowej e-składania τ, która jest rzędu kilku dekad, oraz (ii) współczynnika ln(1-1/gλsw)=ln(−λSW/λLW), który wynosi ≈1 w średniej multi-GCM, ale zmienia się o dwa rzędy wielkości w obrębie GCMs. Dodatnie sprzężenie zwrotne SW wzmacnia ocieplenie, a tym samym wzmacnia reakcję OLR i skraca czas odzyskiwania OLR. Ponadto tcross jest znacznie bardziej wrażliwy na zmiany λSW niż λLW w przestrzeni parametrów realizowanej w GCMs (krzywe na Fig. 3A), co sugeruje, że różnice międzymodelowe w tcross są przede wszystkim kontrolowane przez zmiany w sprzężeniach zwrotnych SW. Wynik ten wynika z fundamentalnej asymetrii zależności OLR od λSW i λLW: bardziej dodatnie λSW działa na wzmocnienie ocieplenia, co wzmacnia OLR i zmniejsza tcross; mniej ujemne λLW podobnie działa na wzmocnienie ocieplenia, co wzmacnia OLR, ale również zmniejsza odpowiedź OLR na zmianę stopnia TS (Eq. 2), w sumie jazdy tylko małe zmiany w tcross.

pomimo wielu uproszczeń, Eq. 6 zapewnia rozsądne oszacowanie tcross jako symulowane przez GCMs, wyjaśniając 66% wariancji w różnych modelach (rys. 3A). W szczególności zasadniczo rejestruje krótki czas odzyskiwania OLR w modelach CMIP5 o dużych i dodatnich wartościach λSW oraz długi czas odzyskiwania OLR w modelach o prawie zerowym λSW. Istnieje jednak kilka godnych uwagi WYJĄTKÓW, w których Eq. 6 przewiduje znacznie mniejszy tcross niż jest realizowane. tcross jest niedoszacowany w tych modelach, ponieważ nie uwzględniliśmy jeszcze komponentu SW wymuszania CO2, który jest znaczny w kilku GCMs z powodu szybkich regulacji chmur, które występują w skalach czasowych szybciej niż zmiany temperatury powierzchni. Analogicznie do omawianego powyżej przypadku sprzężenia zwrotnego SW, wymuszanie SW wzmacnia reakcję temperatury równowagi przez współczynnik wzmocnienia wymuszania SW, GFSW, w stosunku do Układu z wymuszaniem tylko LW: GFSW≡1+FSWFLW.

pozytywne wymuszanie SW wzmacnia ocieplenie, wzmacniając odpowiedź OLR i zmniejszając tcross, podczas gdy negatywne wymuszanie SW zmniejsza ocieplenie, zmniejszając odpowiedź OLR i zwiększając tcross. Włączenie efektów sprzężeń zwrotnych SW i wymuszanie razem daje proste rozszerzenie Eq. 6, w którym zyski są mnożne (tekst SI): tcross=−τ⁡LN (1-1GλSW GFSW).w średniej multi-GCM FSW jest stosunkowo mały (tabela S1), dając gfsw≈1.1 i modyfikując tcross niewiele od przewidywanego przez Eq. 6. Jednak w niektórych modelach FSW stanowi znaczną część całkowitego wymuszania CO2 (rys. 3B), a tym samym ma duży wpływ na tcross. Z uwzględnieniem FSW, Eq. 8 zapewnia doskonałe oszacowanie tcross jako symulowane przez GCMs, wyjaśniając 78% wariancji w różnych modelach.

Jeśli w równaniu używana jest stała wartość τ≈29 y. 8, można wizualizować zależność tcross od sprzężenia zwrotnego i wymuszania zysków (krzywe na Fig. 3b). tcross ma bardzo strome gradienty w regionie, w którym produkt GλSW i GFSW zbliża się do jednego, co prowadzi do bimodalnego rozkładu tcross, przy czym OLR powraca do niezakłóconych wartości w ciągu kilku dekad lub w skalach czasowych dłuższych niż wiek. Chociaż GλSW i GFSW w równym stopniu przyczyniają się do tcross, GλSW różni się o większą ilość niż gfsw w całej GCMs. Tak więc to sprzężenie zwrotne SW najsilniej kontroluje zasięg tcross i względny wkład OLR i ASR w globalną akumulację energii. Jednak w modelach z wystarczająco ujemnym FSW (GFSW<0), tcross może być w kolejności wieków, nawet z dużym i dodatnim λSW (GλSW>0). Ogólnie rzecz biorąc, OLR odzyskuje w skalach czasowych wieków w modelach z słabym sprzężeniem zwrotnym SW lub słabym (lub negatywnym) wymuszaniem SW, a OLR odzyskuje w skalach czasowych kilku dekad w modelach z umiarkowanym sprzężeniem zwrotnym SW i wymuszaniem SW. Wynik ten można dodatkowo zaobserwować zmieniając tylko λSW i FSW w modelu liniowego sprzężenia zwrotnego (Eq. 1) i ustawiając λLW, FLW i C równe wartościom średnim zespołu. Przewidywane wartości tcross są w doskonałej zgodności (R2=0,98) z tymi symulowanymi przez GCMs (rys. 4A), z wyjątkiem dwóch modeli o wartości C znacznie większej od wartości średniej zespolonej. Co ważne, pozwalając tylko λSW i FSW różnić się między modelami, wystarczy uchwycić wyraźny rozdział między (i) tymi modelami z tcross w kolejności wieków (czarne koła na Rys. 4A), gdzie globalna akumulacja energii jest zdominowana przez zredukowany OLR, oraz (ii) te modele z tcross w kolejności dziesięcioleci(kolorowe koła na Rys. 4A), gdzie globalna akumulacja energii jest zdominowana przez wzmocnione ASR, a przeciwstawiona przez wzmocnione OLR.

mając na uwadze te spostrzeżenia, wracamy do względnej roli ASR i OLR w napędzaniu globalnej akumulacji energii w scenariuszu wzrostu CO2 o 1% rocznie, gdzie stężenie gazów cieplarnianych rośnie powoli w czasie, jak w naturze, zamiast gwałtownie czterokrotnie. Aby określić względne role zwiększonego ASR i zmniejszonego OLR w przejściowej akumulacji energii, definiujemy SW Energy accumulation ratio (SWEAR) jako stosunek czasowej zintegrowanej akumulacji energii poprzez ulepszony ASR do czasu zintegrowanej nierównowagi radiacyjnej netto (ASR-OLR)w ciągu 140 lat z 1% CO2 symulacji:SWEAR=∫ASRdt∫(ASR-OLR) dt.Wartości przekleństwa różnią się znacznie w zależności od GCMs (rys. 4B), od blisko zera (energia zgromadzona głównie przez zredukowany OLR) do blisko trzech (energia zgromadzona przez wzmocniony ASR i utracona przez wzmocniony OLR). SWEAR między 0 a 1 oznacza akumulację energii zarówno przez wzmocniony OLR, jak i zmniejszony OLR, podczas gdy SWEAR powyżej 0,5 oznacza, że ASR przyczynia się do ponad połowy globalnej akumulacji energii. W średniej multi-GCM przekleństwo wynosi 1,1, co wskazuje, że OLR zmienia się niewiele i że akumulacja energii netto jest w całości osiągana przez ulepszony ASR (rys. 1D).

Ten zakres zachowania GCM przy wolno rosnącym wymuszaniu gazów cieplarnianych wynika bezpośrednio z zakresu skal czasowych odzyskiwania OLR określonych powyżej w nagłej zmianie gazów cieplarnianych, która z kolei jest ustalana przez intermodelowe różnice w sprzężeniach zwrotnych SW i wymuszaniu. Rzeczywiście, model liniowego sprzężenia zwrotnego (Eqs. 1 i 2 z parametrami oszacowanymi na podstawie 4× CO2, jak opisano powyżej) iteracja do przodu poniżej 1% CO2 rejestruje odpowiedź multi-GCM ASR i OLR (przerywane linie na Fig. 1D) i ich wariacje w poszczególnych modelach. Liniowy model sprzężenia zwrotnego rejestruje zatem również wariancję inter-GCM w SWEAR (95%), gdzie zdecydowaną większość (85%) wariancji inter-GCM można wytłumaczyć zmiennością tylko λSW i FSW (z λLW, FLW i C ustawionymi na ich zespół, jak powyżej) (rys. 4B).

rys. 4B wykazuje wyraźną separację między modelami z przekleństwem ≤0,5 (zdominowanymi przez OLR) i modelami z przekleństwem ≥1 (zdominowanymi przez ASR). Ponadto modele z przekleństwem ≤0,5 to te z tcross w kolejności wieków (rys. 4B, czarne kółka), a modele z przekleństwem ≥1 są takie same jak te z tcross w kolejności dziesięcioleci (rys. 4B, kolorowe kółka). Tę silną zależność od TCROSS można zrozumieć, uznając reakcję na 1% CO2 za superpozycję wielu reakcji na chwilowe wymuszanie CO2, z których każda inicjowana jest w innym czasie. Bardziej formalnie, czas (tramp), w którym OLR powraca do swojej niezakłóconej wartości w odpowiedzi na liniowy wzrost wymuszania CO2, może być przybliżony przez (tekst SI)tramp=τ1−1gλsw GFSW=tetcross/τ.W przypadku modeli z tcross na zamówienie dziesięcioleci, tRAMP jest również na zamówienie dziesięcioleci, a przekleństwo jest duże. W przypadku modeli z tcross na zamówienie wieku, tRAMP jest na zamówienie kilku stuleci, a przysięganie jest małe. W sumie tcross wyjaśnia 83% wariancji międzygatunkowej w przekleństwie.