Contribuții radiative pe unde scurte și pe unde lungi la încălzirea globală sub creșterea CO2

contribuții SW și LW la acumularea de energie

Mai întâi analizăm mai detaliat răspunsul radiativ global al Cmip5 GCMs la o forțare bruscă a GES (4 CO2 de la 7CT) (prezentat în Fig. 2). Evoluția anomaliilor OLR diferă remarcabil între GCMs (Fig. 2D). Caracterizăm această gamă de răspunsuri în funcție de timpul (tcross) necesar pentru ca OLR să revină la valoarea sa neperturbată*; tcross variază de la 2 la 231 y, cu o medie de ansamblu de 19 y (vezi Fig. 4A).

pentru a interpreta aceste constatări, folosim o liniarizare utilizată în mod obișnuit a bugetului global de energie TOA:d(C TS)dt=FSW+FLW+(xvsw+unkticlw)TS,unde TS este anomalia globală medie a temperaturii suprafeței și C este capacitatea globală de căldură dependentă de timp. Eq. 1 corelează rata modificării globale a conținutului de căldură cu rata acumulării globale de energie TOA, care este dată de suma forțelor radiative SW și LW (FSW și FLW) și a răspunsurilor radiative (inquxswts și inqtlwts) (6). Anomaliile din OLR și ASR pot fi exprimate în continuare asASR=FSW+olfswts

și−OLR=FLW+untlwts.

feedback-urile radiative (x-x și X-X) pot fi estimate pentru fiecare CMG prin regresia liniară a ASR și OLR (Fig. 2 C și D) cu TS (Fig. 2A) pe parcursul perioadei de după 4 CO2 la sută, în care forțarea radiativă este aproximativ constantă (7, 8). Mai mult, componentele LW și SW ale forțării CO2 (FLW și FSW) pot fi estimate prin interceptarea TS=0 a regresiei. Valorile de forțare și feedback pentru CMIP5 GCMs (tabelul S1) sunt în concordanță cu cele estimate de Andrews și colab. (10).

așa cum este definit de Eq. 1, capacitatea efectivă de căldură C (Fig. 2B) este acumularea de energie TOA integrată în timp împărțită la TS. De mult timp a fost recunoscut faptul că nu există o singură capacitate de căldură (sau timp de relaxare caracteristic) a sistemului climatic (11). Într-adevăr, C crește cu timpul, pe măsură ce căldura pătrunde sub stratul mixt de suprafață și în interiorul oceanului (12 -15). Pentru Cmip5 GCMs, C corespunde unei adâncimi oceanice echivalente de 50 m în prima decadă după 4 centi CO2 și crește în timp, ajungând la o adâncime echivalentă de câteva sute de metri după un secol (Fig. 2B). Evoluția în timp a lui C împreună cu valorile feedback-urilor SW și LW și forțarea permit o iterație a Eq. 1 care reproduce cu precizie răspunsul TS la temperatura suprafeței fiecărui GCM (Fig. 2A). ASR și OLR prezise de Eq. 2 sunt în acord excelent cu răspunsurile lor respective în urma 4 CO2 de la 0CT (Fig. 2 C și D) și reprezintă marea majoritate (99%) a varianței în tcross între modele. Astfel, o reprezentare simplă a feedback-urilor climatice (Eqs. 1 și 2) este tot ceea ce este necesar pentru a înțelege răspunsul ASR și OLR sub forțarea GES.

introspecția comportamentului GCM poate fi obținută luând în considerare valorile ASR și OLR necesare pentru a atinge echilibrul energetic TOA (echilibru) cu o forțare GES impusă. Dacă forțarea și feedback-urile au acționat numai în LW (ca în Fig. 1A), anomalia OLR ar crește de la o valoare de −FLW = 0 după 4 CO2 de la un nivel la un nivel (Eq. 2), iar acumularea globală de energie ar fi determinată în întregime de OLR redus. Cu toate acestea, în media multi-GCM, există un feedback substanțial SW pozitiv al lui xvsw=0,6 W m−2 K−1 în plus față de feedback−ul negativ LW al lui otlw=-1,7 W m−2 K-1 (Fig. 3A). Ca urmare, ASR crește odată cu încălzirea, contribuind la acumularea globală de energie. In plus, valoarea pozitiva a unui factor de castig (g) al unui factor de castig (1), amplifica raspunsul la temperatura de echilibru cu un factor de castig (g) al unui factor de castig (1).5 în raport cu un sistem cu feedback-uri LW numai, whereg centsw cents 1/(1+centsw/untlw).Prin urmare, OLR-ul mediu multi −GCM trebuie să crească cu 1,5 FLW după 4 CO2 de la-FLW la 0,5 FLW) pentru a ajunge la echilibru (Eq. 2). Astfel, OLR revine la valoarea sa neperturbată atunci când s-a realizat 1flw / 1,5 FLW 66% Din răspunsul la temperatura de echilibru. Estimăm acest interval de timp mai jos. Dacă presupunem, pentru moment, că încălzirea în primele câteva decenii poate fi aproximată cu o capacitate constantă de căldură C, Eq. 1 pot fi rezolvate cu ușurință pentru evoluția în timp a temperaturii suprafeței, dandts=G Xixtswflw Xiflw(e−tt−1),wheret=−c Xiflw+xiflw.Din Eq. 4, 66% din variația de temperatură de echilibru necesară pentru ca OLR să revină la valorile preindustriale se va realiza la aproximativ ora centimetrică; adică tcross este aproximativ egal cu centimetrul în media ansamblului. Dacă luăm media ansamblului de C pe parcursul primului secol al simulărilor de CO2 de la 4 de la X ca o limită superioară a valorii sale pe parcursul primelor decenii (C de la 250 m din Fig. 2B), apoi Eq. 5 prevede o limită superioară la circulatia pe autostrada. Pentru valorile medii de feedback ale ansamblului (tabelul S1), Eq. 5 dă 29 y, care este în acord cu ansamblul cmip5 mean OLR Recovery timescale tcross=19 y. pentru toate timpurile după tcross, energia se pierde prin emisii de LW îmbunătățite, iar acumularea de energie se datorează exclusiv ASR îmbunătățită. Astfel, contribuțiile relative ale anomaliilor SW și LW la acumularea totală de energie depind direct de timpul necesar pentru ca OLR să revină și să-și traverseze valoarea neperturbată (tcross). În media multi-GCM, OLR durează doar două decenii pentru a se recupera și, prin urmare, acumularea de energie se datorează în primul rând ASR îmbunătățit.

ce setează atunci gama largă de tcross pe Cmip5 GCMs? În timp ce o fracțiune substanțială a încălzirii de echilibru se realizează în primele câteva decenii în toate GCM—urile (15, 18)—datorită răspunsului rapid al componentelor de suprafață ale sistemului climatic (12) – răspunsurile ASR și OLR la încălzire (și tcross) depind de feedback-urile SW și LW, care variază substanțial (Fig. 3A). Dependența tcross de parametrii de feedback poate fi văzută Explicit prin rezolvarea modelului de feedback liniar pentru tcross (în ipoteza că FSW = 0). Înlocuind Eq. 4 în Eq. 2 și identificând t = tcross ca fiind momentul în care OLR = 0 dă FLW = Flwg Xvsw (etcross / hectolixt−1), care are soluțiatcross= – XlX(1-1g XlX).

Eq. 6 relevă faptul că timpul de recuperare al OLR este proporțional cu (i) intervalul de timp radiativ e-pliabil (e−pliant), care este de ordinul mai multor decenii, și(ii) un factor ln (1-1/G)=Ln ( -. Un feedback pozitiv SW amplifică încălzirea și, astfel, îmbunătățește răspunsul OLR și scade intervalul de timp pentru recuperarea OLR. Mai mult decât atât, tcross este mult mai sensibil la modificările în xqcsw decât la xqclw pe spațiul parametrilor realizat în GCMs (curbe în Fig. 3A), sugerând că diferențele intermodel în tcross sunt controlate în primul rând de variații ale feedback-urilor SW. Acest rezultat rezultă dintr-o asimetrie fundamentală în dependența OLR de xvsw și okticlw: un act mai pozitiv pentru a amplifica încălzirea, care îmbunătățește OLR și scade tcross; un act mai puțin negativ pentru a amplifica încălzirea, care îmbunătățește OLR, dar diminuează și răspunsul OLR pe schimbarea ts de grad (Eq. 2), cu totul de conducere doar mici modificări în tcross.

În ciuda numeroaselor sale simplificări, Eq. 6 oferă o estimare rezonabilă a tcross așa cum este simulată de GCMs, explicând 66% din varianța între modele (Fig. 3A). În special, surprinde în mare măsură timpul scurt de recuperare OLR la modelele CMIP5 cu valori mari și pozitive ale lui xvsw și timpul lung de recuperare OLR la modelele cu un apropiat de zero al lui xvsw. Există câteva excepții notabile, cu toate acestea, în cazul în care Eq. 6 prezice un tcross substanțial mai mic decât se realizează. tcross este subestimat în aceste modele, deoarece nu am luat încă în considerare componenta SW a forțării CO2, care este substanțială în câteva GCMs din cauza ajustărilor rapide ale norului care apar pe intervale de timp mai rapide decât schimbările de temperatură de suprafață. Similar cu cazul de feedback SW discutat mai sus, forțarea SW amplifică răspunsul la temperatura de echilibru printr-un factor de câștig de forțare SW, GFSW, în raport cu sistemul numai cu forțare LW:GFSW XV 1+FSWFLW.

o forțare SW pozitivă amplifică încălzirea, sporind răspunsul OLR și scăzând tcross, în timp ce o forțare SW negativă reduce încălzirea, diminuând răspunsul OLR și crescând tcross. Inclusiv efectele feedback-uri SW și forțarea împreună oferă o extensie simplă a Eq. 6, în care câștigurile sunt multiplicative(Text SI):tcross=−Ln−L (1-1g gfsw gfsw).în media multi-GCM, FSW este relativ mic (tabelul S1), oferind GFSW 1.1 și modificând tcross puțin față de cea prezisă de EQ. 6. Cu toate acestea, în unele modele, FSW este o fracțiune substanțială din forțarea totală a CO2 (Fig. 3B) și, prin urmare, are un impact mare asupra tcross. Cu FSW luate în considerare, Eq. 8 oferă o estimare excelentă a tcross așa cum este simulată de GCMs, explicând 78% din varianța dintre modele.

dacă în Eq se utilizează o valoare constantă de 29 y, de la egal la egal. 8, dependența tcross de feedback și forțarea câștigurilor poate fi vizualizată (curbele din Fig. 3B). tcross are gradienți foarte abrupți în regiunea în care produsul G Centsw și Gfsw se apropie de unul, ducând la o distribuție bimodală a tcross, OLR revenind la valori neperturbate fie peste câteva decenii, fie la intervale de timp mai lungi de un secol. Cu toate că G și Gfsw contribuie în mod egal la Tcross, g variază cu o cantitate mai mare decât GFSW în GCMs. Astfel, feedback-ul SW controlează cel mai puternic gama de tcross și contribuțiile relative ale OLR și ASR la acumularea globală de energie. Cu toate acestea, la modelele cu un FSW suficient de negativ (Gfsw<0), tcross poate fi de ordinul secolelor, chiar și cu un mare și pozitiv (G Inktsw>0). În general, OLR se recuperează pe intervale de timp de secole în modele cu feedback SW slab sau forțare SW slabă (sau negativă), iar OLR se recuperează pe intervale de timp de câteva decenii în modele cu feedback SW moderat și forțare SW. Acest rezultat poate fi văzut în continuare prin modificarea numai a modelului de feedback liniar (EQ. 1) și setarea unqtlw, FLW și C egale cu valorile medii ale ansamblului lor. Valorile prezise ale tcross sunt în acord excelent (R2=0,98) cu cele simulate de GCMs (Fig. 4A), cu excepția a două modele cu C mult mai mare decât valoarea medie a ansamblului. Foarte important, permiterea doar a celor de la xvsw și FSW să varieze între modele este suficientă pentru a surprinde separarea clară între (i) acele modele cu tcross de ordinul secolelor (cercuri negre în Fig. 4A), unde acumularea globală de energie este dominată de OLR redus și (ii) acele modele cu tcross de ordinul deceniilor (cercuri colorate în Fig. 4A), unde acumularea globală de energie este dominată de ASR îmbunătățită și opusă de OLR îmbunătățită.

având în vedere aceste informații, revenim la rolurile relative ale ASR și OLR în conducerea acumulării globale de energie în scenariul creșterii cu 1% CO2 pe an, în care concentrațiile de GES cresc încet în timp, ca în natură, mai degrabă decât să se cvadrupleze brusc. Pentru a cuantifica rolurile relative ale ASR îmbunătățit și OLR redus în acumularea de energie tranzitorie, definim raportul de acumulare a energiei SW (jura) pentru a fi raportul dintre acumularea de energie integrată în timp prin ASR îmbunătățit și dezechilibrul radiativ net integrat în timp(ASR-OLR) pe parcursul celor 140 y ale simulărilor de CO1% 2:Jura=asrdt (ASR-OLR)DT.Valorile JURĂRII variază considerabil de-a lungul GCMs (Fig. 4B), de la aproape zero (energie acumulată în principal de OLR redus) la aproape trei (energie acumulată de ASR îmbunătățit și pierdută de OLR îmbunătățit). Jurați între 0 și 1 indică acumularea de energie atât prin OLR îmbunătățit, cât și prin OLR redus, în timp ce jurați peste 0,5 indică faptul că ASR contribuie cu mai mult de jumătate din acumularea globală de energie. În media multi-GCM, jur este 1.1, indicând faptul că OLR se schimbă puțin și că acumularea netă de energie se realizează în întregime prin ASR îmbunătățit (Fig. 1D).

acest interval de comportament GCM sub forțarea GES în creștere lentă rezultă direct din intervalul de timp de recuperare OLR tcross identificat mai sus sub o schimbare bruscă a GES, care, la rândul său, este stabilit de diferențele intermodel în feedback-urile și forțarea SW. Într-adevăr, modelul de feedback liniar (Eqs. 1 și 2, cu parametrii estimați de la 4 CO2 de la centimetrii descriși mai sus) iterat înainte sub 1% CO2 captează răspunsul ASR și OLR multi-GCM (linii punctate în Fig. 1D) și variațiile lor între modele. Modelul de feedback liniar, astfel, surprinde și varianța inter-GCM în jur (95%), unde marea majoritate (85%) a varianței inter-GCM poate fi explicată doar prin variația doar a celor de la xvsw și FSW (cu unqtlw, FLW și C setate la mijloacele lor de ansamblu ca mai sus) (Fig. 4B).

Fig. 4B prezinta o separare clara intre modelele cu juramantul 0.5 (dominat de OLR) si modelele cu juramantul 1 (dominat de ASR). Mai mult decât atât, modelele cu jur 0.5 sunt cele cu tcross de ordinul secolelor (Fig. 4B, cercuri negre), iar modelele cu juramantul 1 sunt aceleasi cu cele cu tcross de ordinul deceniilor (Fig. 4B, cercuri colorate). Această dependență puternică a JURĂRII de tcross poate fi înțeleasă luând în considerare răspunsul la 1% CO2 ca suprapunere a multor răspunsuri la o forțare instantanee a CO2, fiecare inițiată la un moment diferit. Mai formal, timpul (tramp) la care OLR revine la valoarea sa neperturbată ca răspuns la o creștere liniară a forțării CO2 poate fi aproximat prin (Text SI)tramp=71−1g gfsw=tetcross/1.Pentru modelele cu tcross de ordinul deceniilor, tRAMP este, de asemenea, de ordinul deceniilor, iar Jura este mare. Pentru modelele cu tcross de ordinul unui secol, tRAMP este de ordinul mai multor secole, iar Jura este mică. În total, tcross explică 83% din varianța inter-GCM în jur.