Kortvåg och långvåg radiativa bidrag till den globala uppvärmningen under ökande CO2

SW och LW bidrag till Energiackumulering

vi först överväga mer i detalj den globala radiativa svar av CMIP5 GCMs till en abrupt GHG tvingar (4 msk CO2) (visas i Fig. 2). Utvecklingen av OLR-anomalier skiljer sig anmärkningsvärt mellan GCMs (Fig. 2D). Vi karakteriserar detta svarsintervall vid den tid (tcross) som det tar för OLR att återgå till sitt ostörda värde*; tcross sträcker sig från 2 till 231 y, med ett ensemblemedelvärde på 19 y (se Fig. 4A).

för att tolka dessa resultat använder vi en vanligt använd linjärisering av den globala toa-energibudgeten:d(C TS)dt=FSW+FLW+(sackarosw+sackaros)TS,där TS är den globala genomsnittliga yttemperaturavvikelsen och C är den tidsberoende globala värmekapaciteten. Eq. 1 avser den globala värmeinnehållsändringens hastighet till den globala toa-energiackumuleringen, som ges av summan av SW – och LW-strålnings forcings (FSW och FLW) och strålningssvar (aubbiswts och aubbilwts) (6). Anomalier i OLR och ASR kan vidare uttryckas asASR=FSW+usci swts

och−OLR=FLW+usci lwts.

de radiativa återkopplingarna (https: / / GCM) kan uppskattas för varje GCM genom linjär regression av ASR och OLR (Fig. 2 C och D) med TS (Fig. 2A) under perioden efter 4 msk CO2, varvid strålningsdrivning är ungefär konstant (7, 8). Dessutom kan LW-och SW-komponenterna i CO2-tvingning (FLW och FSW) uppskattas av TS=0-avlyssningen av regressionen. Tvingande och återkopplingsvärden för CMIP5 GCMs (tabell S1) överensstämmer med de som uppskattats av Andrews et al. (10).

enligt definitionen i Eq. 1, den effektiva värmekapaciteten C (Fig. 2B) är den tidsintegrerade toa-energiackumuleringen dividerad med TS. Det har länge erkänts att det inte finns någon enda värmekapacitet (eller karakteristisk avkopplingstid) för klimatsystemet (11). Faktum är att C ökar med tiden när värmen tränger in under ytan Blandat lager och in i havsinredningen (12 kcal -15). För CMIP5 GCMs motsvarar C ett ekvivalent havsdjup på 50 m under det första decenniet efter 4 msk CO2 och ökar med tiden och når ett ekvivalent djup på flera hundra meter efter ett sekel (Fig. 2B). Tidsutvecklingen av C tillsammans med värden på SW-och LW-återkopplingar och tvingande tillåter en iteration av Eq. 1 som exakt återger yttemperaturresponsen TS för varje GCM (Fig. 2A). ASR och OLR förutsagt av Eq. 2 är i utmärkt överensstämmelse med deras respektive svar efter 4 2CB CO2 (Fig. 2 C och D) och står för den stora majoriteten (99%) av variansen i tcross över modellerna. Således en enkel representation av klimatåterkopplingar (miljökvalitetsnormer. 1 och 2) är allt som behövs för att förstå svaret från ASR och OLR under GHG-tvingande.

insikt i GCM-beteendet kan uppnås genom att beakta värdena för ASR och OLR som krävs för att nå TOA-energibalans (jämvikt) med en påtvingad GHG-tvingning. Om tvingande och återkopplingar agerade endast i LW (som i Fig. 1A), skulle OLR-anomali öka från ett värde på-FLW = 0 efter 4 msk CO2 (ekv. 2), och global energiackumulering skulle drivas helt av minskad OLR. I multi-GCM-medelvärdet finns det emellertid en väsentlig positiv SW-återkoppling av askorbsw=0,6 W m – 2 K−1 utöver den negativa LW−återkopplingen av askorblw=-1,7 W m-2 K-1 (Fig. 3A). Som ett resultat ökar ASR med uppvärmning, vilket bidrar till global energiackumulering. Dessutom förstärker det positiva svaret på jämviktstemperaturen med en förstärkningsfaktor (g) på 1.5 i förhållande till ett system med endast LW-återkopplingar, whereg 2 / (1 + 1/+).Multi-GCM-medelvärdet OLR måste därför öka med 1,5 FLW efter 4 kcal CO2 (från −FLW till 0,5 FLW) för att nå jämvikt (ekv. 2). Således återgår OLR till sitt ostörda värde när 1flw/1.5 FLW 66% av jämviktstemperaturresponsen har realiserats. Vi uppskattar denna tidsskala nedan. Om vi för tillfället antar att uppvärmningen under de första decennierna kan approximeras med en konstant värmekapacitet C, Eq. 1 kan lätt lösas för den tid utvecklingen av yttemperaturen, givingTS=g Auctoriswflw Ucorilw (e−tt−1),wheret= – C Ucorilw+ucrisw.Från Eq. 4, kommer den 66% av den jämviktstemperaturförändring som krävs för att OLR ska återhämta sig till förindustriella värden att uppnås vid ungefär tid, det vill säga tcross är ungefär lika med i ensemblegenomsnittet. Om vi tar ensemblen medelvärdet av C under det första århundradet av de 4 oc CO2 simuleringar som en övre gräns på dess värde under de första decennierna (C oc 250 m från Fig. 2B), sedan Eq. 5 ger en övre gräns på vaniljsås. För ensemble betyder feedbackvärden (tabell S1), Eq. 5 ger 29 år, vilket är i god överensstämmelse med CMIP5 Ensemble Mean OLR Recovery timescale tcross=19 år. för alla tider efter tcross förloras energi genom förbättrad LW-utsläpp, och energiackumulering beror enbart på förbättrad ASR. Således beror de relativa bidragen från SW-och LW-anomalier till den totala energiackumuleringen direkt på den tid det tar för OLR att återvända till och korsa sitt ostörda värde (tcross). I multi-GCM-medelvärdet tar OLR bara två decennier att återhämta sig, och därmed beror energiackumulering främst på förbättrad ASR.

vad ställer då in det stora utbudet av tcross över CMIP5 GCMs? Medan en väsentlig del av jämviktsuppvärmningen uppnås inom de första decennierna i alla GCMs (15, 18)—på grund av det snabba svaret hos klimatsystemets ytkomponenter (12) – beror ASR-och OLR-svaren på uppvärmning (och tcross) på SW-och LW-återkopplingarna, som varierar väsentligt (Fig. 3A). Beroendet av tcross på återkopplingsparametrarna kan ses uttryckligen genom att lösa den linjära återkopplingsmodellen för tcross (under antagandet att FSW = 0). Ersätta Eq. 4 till Eq. 2 och identifiera t=tcross som den tid då OLR = 0 ger FLW=Flwg Bisexualsw(etcross/bisexualsw−1), som har lösningentcross=−bisexualsw ln(1−1g bisexualsw).

Eq. 6 avslöjar att OLR-återhämtningstiden är proportionell mot (i) den radiativa e-folding−tidsskalan Bisexuell, som är i storleksordningen flera decennier, och(ii) en faktor ln (1-1/g Bisexuell)=ln (- bisexuell/bisexuell), vilket är 1 i multi-GCM-medelvärdet men varierar med två storleksordningar över GCM. En positiv SW-återkoppling förstärker uppvärmningen och förbättrar därmed OLR-svaret och minskar tidsskalan för OLR-återhämtning. Dessutom är tcross mycket känsligare för förändringar i https: / / sw än TCP över parameterutrymmet som realiseras i GCMs (kurvor i Fig. 3A), vilket tyder på att intermodellskillnaderna i tcross främst styrs av variationer i SW-återkopplingar. Detta resultat härrör från en grundläggande asymmetri i OLR: S beroende av ol: s och ol: S beroende: en mer positiv ol: s w verkar för att förstärka uppvärmningen, vilket förbättrar ol: s och minskar tcross; en mindre negativ ol: s på samma sätt verkar för att förstärka uppvärmningen, vilket förbättrar ol: s, men det minskar också OLR-svaret per grad TS-förändring (ekv. 2), Totalt kör endast små förändringar i tcross.

trots dess många förenklingar, Eq. 6 ger en rimlig uppskattning av tcross som simuleras av GCMs, förklarar 66% av variansen mellan modeller (Fig. 3A). I synnerhet fångar den i stort sett den korta OLR-återhämtningstiden i CMIP5-modellerna med stora och positiva Securities w-värden och den långa OLR-återhämtningstiden i modeller med en nästan noll-u2sw. Det finns några anmärkningsvärda undantag, dock, där Eq. 6 förutspår en betydligt mindre tcross än realiseras. tcross är underestmated i dessa modeller eftersom vi ännu inte har redogjort för SW-komponenten i CO2-tvingning, vilket är väsentligt i några få GCM på grund av de snabba molnjusteringarna som sker på tidsskalor snabbare än yttemperaturförändringar. Analogt med SW-återkopplingsfallet som diskuterats ovan förstärker SW-tvingningen jämviktstemperaturresponsen med en SW-tvingande förstärkningsfaktor, gfsw, i förhållande till systemet med endast LW-tvingning:GFSW 2+FSWFLW.

en positiv SW-tvingning förstärker uppvärmningen, förbättrar OLR-svaret och minskar tcross, medan en negativ SW-tvingning minskar uppvärmningen, minskar OLR-svaret och ökar tcross. Inklusive effekterna av SW återkopplingar och tvingar tillsammans ger en enkel förlängning av Eq. 6, varvid vinsterna är multiplikativa(SI-Text): tcross=−Bisexuell ln(1−1g bisexuell gfsw). i multi-GCM-medelvärdet är FSW relativt liten (tabell S1), vilket ger GFSW 1.1 och modifierar TCROSS lite från det som förutses av EQ. 6. I vissa modeller är emellertid FSW en väsentlig del av den totala CO2-tvingningen (Fig. 3B), och därmed har det en stor inverkan på tcross. Med FSW beaktas, Eq. 8 ger en utmärkt uppskattning av tcross som simuleras av GCMs, förklarar 78% av variansen mellan modeller.

om ett konstant värde 29 y används i EQ. 8, beroendet av tcross på återkoppling och tvinga vinster kan visualiseras (kurvor i Fig. 3B). tcross har mycket branta gradienter i regionen där produkten av G Bisexussw och Gfsw närmar sig en, vilket leder till en bimodal fördelning av tcross, med OLR återvänder till ostörda värden antingen över ett par decennier eller vid tidsskalor längre än ett sekel. Även om G Av SW och g av SW bidrar lika mycket till tcross, varierar g av SW med en större mängd än g av SW över GCMs. Således är det SW-återkoppling som starkast kontrollerar utbudet av tcross och de relativa bidragen från OLR och ASR till global energiackumulering. Men i modeller med en tillräckligt negativ FSW (GFSW<0) kan tcross vara i storleksordningen århundraden, även med en stor och positiv acussw (g Acussw>0). I allmänhet återhämtar sig OLR på tidsskalor i århundraden i modeller med antingen svaga SW-återkopplingar eller svaga (eller negativa) SW-tvingande, och OLR återhämtar sig på tidsskalor på flera decennier i modeller med måttliga SW-återkopplingar och SW-tvingande. Detta resultat kan ses ytterligare genom att variera endast avsugningar och FSW i den linjära återkopplingsmodellen (Eq. 1) och inställning av auskullw, FLW och C lika med deras ensemble medelvärden. De förutsagda värdena för tcross är i utmärkt överensstämmelse (R2=0,98) med de som simuleras av GCMs (Fig. 4A), med undantag för två modeller med C mycket större än ensemblemedelvärdet. Det är viktigt att endast tillåta att USC och FSW varierar mellan modeller är tillräckligt för att fånga den tydliga separationen mellan (i) de modellerna med tcross i storleksordningen århundraden (svarta cirklar i Fig. 4A), där global energiackumulering domineras av reducerad OLR, och (ii) de modeller med tcross i storleksordningen årtionden (färgade cirklar i Fig. 4A), där global energiackumulering domineras av förbättrad ASR och motsätts av förbättrad OLR.

med dessa insikter i åtanke återgår vi till ASR: s och OLRS relativa roller för att driva global energiackumulering under scenariot 1% CO2-ökning per år, där GHG-koncentrationerna ökar långsamt över tiden, som i naturen, snarare än att plötsligt fyrdubblas. För att kvantifiera de relativa rollerna för förbättrad ASR och reducerad OLR i övergående energiackumulering definierar vi SW-energiackumuleringsförhållandet (svär) för att vara förhållandet mellan tidsintegrerad energiackumulering via förbättrad ASR till den tidsintegrerade nettostrålningsobalansen (ASR-OLR) över 140 y Av 1% CO2 − simuleringarna:svär=bisexuell asrdt(ASR−OLR)dt.Svärvärdena varierar avsevärt över GCMs (Fig. 4B), från nära noll (energi ackumulerad främst av reducerad OLR) till nära tre (energi ackumulerad av förbättrad ASR och förlorad av förbättrad OLR). Svär mellan 0 och 1 indikerar energiackumulering genom både förbättrad OLR och reducerad OLR, medan svär över 0,5 indikerar att ASR bidrar med mer än hälften av den globala energiackumuleringen. I multi-GCM-medelvärdet är svär 1.1, vilket indikerar att OLR förändras lite och att nettoenergiackumulering uppnås helt genom förbättrad ASR (Fig. 1D).

detta intervall av GCM beteende under långsamt ökande GHG tvingar följer direkt från intervallet OLR återhämtning tidsskalor tcross identifieras ovan under en abrupt förändring i växthusgaser, som i sin tur ställs in av intermodel skillnader i SW återkopplingar och tvingar. Den linjära feedbackmodellen (Eqs). 1 och 2 med parametrar uppskattade från 4 2CB CO2 som beskrivits ovan) itererad framåt under 1% CO2 fångar multi-GCM ASR-och OLR-svaret (streckade linjer i Fig. 1D) och deras variationer över modeller. Den linjära återkopplingsmodellen fångar således också inter-GCM-variansen i svär (95%), där den stora majoriteten (85%) av inter-GCM-variansen kan förklaras genom att endast variera avsugningarw och FSW (med excepblw, FLW och C inställd på deras ensembleorgan som ovan) (Fig. 4B).

Fig. 4B visar en tydlig åtskillnad mellan modeller med SWEAR 0.5 (OLR-dominerad) och modeller med SWEAR 1 (ASR-dominerad). Dessutom är modeller med svär 0,5 med tcross i storleksordningen århundraden (Fig. 4b, svarta cirklar), och modeller med SVÄRDBRÖLLOP 1 är desamma som de med tcross i storleksordningen årtionden (Fig. 4B, färgade cirklar). Detta starka beroende av svär på tcross kan förstås genom att överväga svaret på 1% CO2 som överlagring av många svar på en momentan CO2-tvingning, var och en initierad vid en annan tidpunkt. Mer formellt kan den tid (tramp) vid vilken OLR återgår till sitt ostörda värde som svar på en linjär ökning av CO2−tvingning approximeras med (SI-Text)tramp=https:/ / 1g.För modeller med tcross i årtionden är tRAMP också i årtionden, och svär är stor. För modeller med tcross i storleksordningen ett sekel är tRAMP i storleksordningen flera århundraden, och svär är liten. Sammantaget förklarar tcross 83% av Inter-GCM-variansen i svär.