CO2辐射效应与生理效应对气候系统影响异同的模拟研究

基于CESM地球系统模式,模拟研究不同CO₂浓度变化情景下,在快响应阶段和平衡阶段,CO₂通过影响大气辐射传输过程的辐射效应和通过影响植被气孔的生理效应对气候系统的影响和作用机制异同。试验结果表明,在CO₂倍增的情况下,CO₂辐射效应和生理效应都会引起全球地表的增温。辐射效应在两个阶段的地表增温中均起主导作用,而在快响应阶段,生理效应在全球陆表增温中贡献率达到了(27.5±0.9)%。CO₂辐射效应和生理效应对全球水循环的影响有明显差异。在平衡阶段,CO₂辐射效应使全球地表蒸散增加(5.2±0.1)%,径流量增加(8.0±0.4)%;而CO₂生理效应使全球地表蒸散量下降(3.9±0.1)%,径流量增加(10.1±0.4)%。在快响应阶段,生理效应在蒸散量的变化中占据主导作用。在CO₂倍增试验基础上,又进行了大气CO₂浓度分别为400×10-6、600×10-6、800×10-6、1000×1...     

CMIP6通量距平强迫模式比较计划（FAFMIP）概况与评述

通量距平强迫模式比较计划（FAFMIP）是第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的子计划之一。FAFMIP共设计了5组试验,利用CMIP6中的大气-海洋耦合环流模式（AOGCM）对海表施加动量通量、热通量和淡水通量扰动,旨在研究在CO₂强迫下模式模拟的海洋热吸收,由热膨胀引起的全球平均海平面上升,及由海洋密度和环流导致的动力海平面变化等方面的不确定性。     

甲烷浓度变化的有效辐射强迫及其对气候的影响

利用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.0,结合IPCC 第五次评估报告给出的最新有效辐射强迫的概念,模拟了自工业革命以来由于人类活动造成的甲烷浓度增加引起的有效辐射强迫及其气候效应。得出如下结论：甲烷浓度增加造成的有效辐射强迫的全球平均值为0.49 W/m²;导致全球平均地表温度上升0.31 ℃,升温主要分布在南北半球中高纬度地区;全球平均降水量增加0.02 mm/d,赤道辐合带降水中心有向北移动的趋势;地表水汽通量的变化使高纬度地区云量增加（约4%）,而中低纬度地区云量减小（约-3%）。     

利用MODIS-GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气溶胶直接辐射强迫

利用MODIS-GOCART同化的2001年逐月气溶胶光学厚度资料，在修改区域气候模式RegCM2辐射方案的基础上，连续积分5年获得平均的中国东部地区气溶胶短波和长波直接辐射效应，并通过数值试验研究了气溶胶垂直分布对辐射强迫及其气候响应的影响。结果表明：气溶胶的短波辐射效应能冷却地表、加热大气；长波辐射效应能加热地表、冷却大气；大气顶净辐射强迫年平均为-4．1W／m^2；辐射强迫绝对值在春季最大，夏季次之，冬季最小；模拟区域中最大辐射强迫值主要位于华北、华南地区及四川盆地；气溶胶垂直分布是影响气溶胶辐射强迫的重要因素。总体上气溶胶层越靠近地面，大气顶辐射强迫绝对值越大，地表辐射强迫绝对值越小，大气顶辐射强迫对垂直分布较敏感；气候系统的反馈作用会放大气溶胶垂直分布对辐射气候效应的影响。     

水稻不同生长期稻田能量收支、CO2通量模拟研究

利用国家自然科学基金重大项目“长江三角洲低层大气物理化学过程与生态系统的相互作用”野外观测资料，将1999年常熟稻田水稻四个不同生长期（插秧、拔节、抽穗和成熟）的太阳辐射、水汽压、气温和水平风速及降水作为简化生物圈（SiB2）模式的5个强迫变量，在合理设计模式参数的前提下，分别模拟了上述四个阶段的能量收支、CO₂通量。模拟结果表明:在水稻不同生长阶段的感热、潜热和下垫面热通量占净辐射的比例不同；CO₂通量的模拟结果与1996年国际稻田试验结果相似。该研究为利用自动气象站网的资料估计各站能量收支、CO₂通量、土壤水分平衡、以及土壤温度廓线提供了新证据。     

IPCC AR6报告解读：气候系统对太阳辐射干预响应

IPCC第六次评估报告（AR6）第一工作组报告评估了太阳辐射干预（Solar radiation modification,SRM）对气候系统和碳循环的影响。在大幅度减排基础上,太阳辐射干预有潜力作为应对气候变化的备用措施。目前,对于太阳辐射干预气候影响的评估都是基于模式模拟结果。评估主要结论如下：太阳辐射干预可以在全球和区域尺度上抵消一部分温室气体增加造成的气候变化（高信度);但是太阳辐射干预无法在全球和区域尺度上完全抵消温室气体增加引起的气候变化（几乎确定);有可能通过适当的太阳辐射干预设计,同时实现多个温度变化减缓目标（中等信度);在高强度温室气体排放情景下,如果太阳辐射干预实施后突然终止,并且这种终止长时间持续,将会造成快速的气候变化（高信度);如果在减排和CO₂移除的情况下,太阳辐射干预的实施强度逐渐减小至零,将显著降低太阳辐射干预突然终止产生的快速气候变化风险（中等信度);太阳辐射干预会通过降温作用,促进陆地和海洋对大气CO₂的吸收（中等信度),但是太阳辐射干预无法缓解海洋酸化（高信度);太阳辐射干预对其他生物化学循环影响的不确定性大。由于对云-气溶胶-辐射过程的相互作用和微物理过程认知有限,目前对平流层气溶胶注入、海洋低云亮化、高层卷云变薄等太阳辐射干预方法的冷却潜力和气候效应的认知还有很大的不确定性。     

CMIP6二氧化碳移除模式比较计划（CDRMIP）概况与评述

地球工程是指通过人工方法在大规模尺度上干预气候系统,使地球气候降温的一种手段。CO₂移除是地球工程的主要途径之一。文中概述了CO₂移除地球工程的科学背景、各种CO₂移除方法的利弊、大尺度应用CO₂移除方法可能产生的气候效应和风险,以及CO₂移除方案在未来气候情景研究中的现状。在第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）框架下开展的CO₂移除模式比较计划（CDRMIP),为深入研究CO₂移除地球工程减缓气候变化的效能和气候系统对其的响应提供了统一试验方案和平台。CDRMIP的开展,对地球工程和气候变化研究具有重要的促进作用。     

Uncertainty in projections of the South Asian summer monsoon under global warming by CMIP6 models: Role of tropospheric meridional thermal contrast

本文基于第六次国际耦合模式比较计划共18个模式的工业革命前实验和CO₂浓度突然四倍实验,发现在CO₂四倍强迫下,南亚夏季风环流呈显著减弱趋势,但减弱强度存在较大模式间差异.利用Webster-Yang指数和经向哈得莱环流指数的下降趋势表征SASM减弱强度,发现该下降趋势与欧亚大陆-印度洋之间对流层上层经向温度梯度的变化值(EUTT-IUTT)高度相关.进一步利用气候反馈-响应分析方法进行分析,发现EUTT-IUTT变化的模式间差异主要来自于大气动力过程,其次是云的短波辐射效应的贡献.地表潜热通量和云的长波辐射效应缩小了EUTT-IUTT变化的模式间差异.     

黑碳气溶胶直接辐射强迫及其对中国夏季降水影响的模拟研究

利用NCAR的全球大气模式CAM3分析了黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布及其季节变化,重点讨论了云对黑碳气溶胶直接辐射强迫的影响,以及黑碳气溶胶对中国夏季降水的影响。结果表明：黑碳气溶胶在大气顶和地表的直接辐射强迫分布范围和强度都具有明显的季节变化。有云条件下,黑碳气溶胶在大气顶产生正的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为＋0.33 W·m－2;在地表产生负的直接辐射强迫,全球年平均强迫值为－0.56 W·m－2。晴空条件下,黑碳气溶胶在大气顶和地表的全球年平均辐射强迫值分别为＋0.21 和－0.71 W·m－2。云的存在对黑碳气溶胶的辐射强迫产生了很大的影响,使大气顶的正辐射强迫增加,地表的负辐射强迫减小。黑碳气溶胶导致夏季中国北方30°N～45°N之间区域降水明显增加;而中国长江以南地区除了海南和广西的部分城市外,降水明显减少。模拟结果表明,中国夏季近50年来经常发生的南涝北旱并非由黑碳气溶胶引起。     

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明：随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500hPa随纬度增高增强幅度变大,100hPa随纬度增高增强幅度变小。     

IPCC AR6报告解读：气候系统对二氧化碳移除响应

IPCC AR6报告中控温1.5℃和2℃的低排放情景需要在21世纪中叶以后实现净负CO₂排放,这需要在很大程度上依赖CO₂移除措施。AR6对CO₂移除的主要评估结论如下：CO₂移除有潜力从大气中去除CO₂（高信度);如果CO₂移除量超过CO₂排放量,将实现净负CO₂排放,降低大气CO₂浓度,减缓海洋酸化（高信度);通过CO₂移除方法从大气中去除的CO₂会部分被海洋和陆地释放的CO₂抵消（非常高信度);如果净负CO₂排放可以实现并且持续,CO₂引起的全球升温趋势将会逐渐扭转,但是气候系统的其他变化（例如海平面升高）仍会在未来的几十年到千年尺度上持续（高信度);不同CO₂移除方法会对生物化学循环和气候产生广泛的影响,这些影响会加强或减弱CO₂移除的降温潜力,并且影响水资源、食物生产和生物多样性（高信度）。     

一个地球系统模式模拟的气候变化对海洋碳循环的影响

使用维多利亚大学的地球系统模式进行模拟,选取1800-2500年间较高的CO₂浓度情景（RCP8.5）,分析由于CO₂增加引起的气候变化对海洋碳循环的影响。当气候敏感度为3.0 K时,相对于无气候变化,到2100年,由于大气CO₂增加造成的气候变化导致海表面温度升高2.7 K,北大西洋深水流量减少4.5 Sv,海洋对人为碳的年吸收减少0.8 Pg C;比较人为溶解无机碳在海洋中的垂直累积分布,发现气候变化对海洋吸收大气CO₂的影响在北大西洋区域最明显。1800-2500年,相对于不考虑气候变化的情景,模式模拟的气候变化导致整个海洋对人为碳的累积吸收总量减少23.1%,其中北大西洋减少32.0%。此外,比较不同气候敏感度（0～4.5 K,间隔为0.5 K）的模拟结果发现,气候敏感度越高,气候变化对海洋吸收CO₂能力的抑制作用越明显。     

长江下游农业生态区CO2通量的观测试验

利用2001年6月10日~7月20日在安徽省全椒县稻田和2002年6月10日~7月20日在肥西县农作物混作区观测的近地层CO₂和能量通量资料，对农作物混作区和稻田CO₂通量特征进行了比较。结果表明:平均情况下，观测期内稻田白天(夜间)吸收(放出) CO₂为55.16 g·m-2(14.19 g·m-2)；农作物混作区白天(夜间)吸收(放出) C02为22.67 g·m”(12.40 g·m-2)；稻田白天吸收的CO₂通量随水稻生长而逐渐增加，夜间放出的CO₂在拔节期最高；农作物混作区CO₂通量在整个观测期并没有显著改变；稻田和农作物混作区均为大气CO₂的汇。对CO₂通量与光合有效辐射的关系分析表明:白天稻田吸收的CO₂通量与到达地面的光合有效辐射存在着显著的负相关关系。文中结果为数值模拟稻田与近地层大气CO₂交换提供了重要依据。     

外强迫对热带季节内振荡影响的模拟研究

应用经过修改的NCAR CCM3模式和CAM2模式进行的数值实验结果以及NCEP的GFS模式的输出结果讨论了海温等外强迫作用对热带季节内振荡的影响.结果表明,热带季节内振荡是热带大气固有的内部变率.它是由大气内部过程的相互作用决定的.但外强迫对热带季节内振荡的强度、传播方向等有明显的影响.当外强迫没有变化时,模式可以模拟出与观测近似的低频振荡.当作为外强迫的海温和太阳辐射有年内季节变化时,模式模拟的季节内振荡则明显减弱.当海温与辐射不仅有季节变化而且有年际变化时,模式模拟的季节内振荡会进一步减弱.具有长周期的外强迫还会削弱季节内振荡中东移波动的能量而增加静止波的强度.在与海洋模式耦合的状态下,模式不受来自海洋的外强迫影响,而是与海洋构成一个耦合系统,可以产生最强的季节内振荡.     

近千年东亚季风变化统计动力反演与驱动机制研究

利用观测数据和非线性统计-动力学方法,构建了东亚季风变化的动力方程。量化了单因子强迫及各因子间相互作用在东亚季风演化中的相对贡献率,为东亚季风驱动机制研究提供了量化参考。研究发现:（1）过去千年东亚季风是多种因子共同作用下的复杂非线性动力系统。有些因子以起驱动作用为主,则有些以反馈调节作用为主,因子间交互作用与东亚季风演化存在耦合效应机制。（2）季风的驱动力主要来源于副热带太平洋海表温度、青藏高原动力热力强迫、CO₂和N₂O交叉项、太阳辐射和N₂O交叉项、CO₂与CH₄交叉项等的耦合作用机制;调节作用主要是石笋δ18O指代的地理位置、单因子CO₂浓度、太阳辐射变化、CH₄与N₂O交叉项、太阳辐射与ENSO交叉项等的耦合作用机制。温室气体（CO₂、CH₄与N₂O）浓度对东亚季风演化的驱动与调节作用贡献较大。（3）通过动力反演机制推论副热带太平洋和热带西太平洋对东亚季风均有驱动作用,但主要驱动力来自副热带太平洋,即驱动东亚季风变化的主源地在副热带太平洋海区,次源地在热带西太平洋海区。（4）由海-陆温差对季风演变贡献大小推测石笋δ18O指代的也主要是夏季风信息。      

Responses of Mean and Extreme Precipitation to Different Climate Forcing Under Radiative-Convective Equilibrium

Understanding the responses of mean and extreme precipitation to climate change is of great importance.Previous studies have mainly focused on the responses to prescribed sea surface warming or warming due to increases of CO2.This study uses a cloud-resolving model under the idealization of radiative-convective equilibrium to examine the responses of mean and extreme precipitation to a variety of climate forcings,including changes in prescribed sea surface temperature,CO2,solar insolation,surface albedo,stratospheric volcanic aerosols,and several tropospheric aerosols.The different responses of mean precipitation are understood by examining the changes in the surface energy budget.It is found that the cancellation between shortwave scattering and longwave radiation leads to a small dependence of the mean precipitation response on forcings.The responses of extreme precipitation are decomposed into three components(thermodynamic,dynamic,and precipitation efficiency).The thermodynamic components for all climate forcings are similar.The dynamic components and the precipitation-efficiency components,which have large spreads among the cases,are negatively correlated,leading to a small dependence of the extreme precipitation response on the forcings.     

Solar irradiance forcing of centennial climate variability during the Holocene

Centennial climate variability during the Holocene has been simulated in two 10,000 year experiments using the intermediate-complexity ECBilt model. ECBilt contains a dynamic atmosphere, a global 3-D ocean model and a thermodynamic sea-ice model. One experiment uses orbital forcing and solar irradiance forcing, which is based on the Stuiver et al. residual ¹⁴C record spliced into the Lean et al. reconstruction. The other experiment uses orbital forcing alone. A glacier model is coupled off-line to the climate model. A time scale analysis shows that the response in atmospheric parameters to the irradiance forcing can be characterised as the direct response of a system with a large thermal inertia. This is evident in parameters like surface air temperature, monsoon precipitation and glacier length, which show a stronger response for longer time scales. The oceanic response, on the other hand, is strongly modified by internal feedback processes. The solar irradiance forcing excites a (damped) mode of the thermohaline circulation (THC) in the North Atlantic Ocean, similar to the loop-oscillator modes associated with random-noise freshwater forcing. This results in a significant peak (at time scales 200–250 year) in the THC spectrum which is absent in the reference run. The THC response diminishes the sea surface temperature response at high latitudes, while it gives rise to a signal in the sea surface salinity. A comparison of the model results with observations shows a number of encouraging similarities.     

Potential Role of Solar Variability as an Agent for Climate Change

Numerical experiments have been carried out with a two-dimensional sector averaged global climate model in order to assess the potential impact of solar variability on the Earth's surface temperature from 1700 to 1992. This was done by investigating the model response to the variations in solar radiation caused by the changes in the Earth's orbital elements, as well as by the changes intrinsic to the Sun. In the absence of a full physical theory able to explain the origin of the observed total solar irradiance variations, three different total solar irradiance reconstructions have been used. A total solar irradiance change due to the photospheric effects incorporated in the Willson and Hudson (1988) parameterization, and the newly reconstructed solar total irradiance variations from the solar models of Hoyt and Schatten (1993) and Lean et al. (1995). Our results indicate that while the influence of the orbital forcing on the annual and global mean surface temperature is negligible at the century time scale, the monthly mean response to this forcing can be quite different from one month to another. The modelled global warming due to the three investigated total solar irradiance reconstructions is insufficient to reproduce the observed 20th century warming. Nevertheless, our simulated surface temperature response to the changes in the Sun's radiant energy output suggests that the Gleissberg cycle (88 years) solar forcing should not be neglected in explaining the century-scale climate variations. Finally, spectral analysis seems to point out that the 10- to 12-year oscillations found in the recorded Northern Hemisphere temperature variations from 1700 to 1992 could be unrelated to the solar forcing. Such a result could indicate that the eleven-year period which is frequently found in climate data might be related to oscillations in the atmosphere or oceans, internal to the climate system.     

Summertime land–sea thermal contrast and atmospheric circulation over East Asia in a warming climate—Part II: Importance of CO2-induced continental warming

In this the second of a two-part study, we examine the physical mechanisms responsible for the increasing contrast of the land–sea surface air temperature (SAT) in summertime over the Far East, as observed in recent decades and revealed in future climate projections obtained from a series of transient warming and sensitivity experiments conducted under the umbrella of the Coupled Model Intercomparison Project phase 5. On a global perspective, a strengthening of land–sea SAT contrast in the transient warming simulations of coupled atmosphere–ocean general circulation models is attributed to an increase in sea surface temperature (SST). However, in boreal summer, the strengthened contrast over the Far East is reproduced only by increasing atmospheric CO₂ concentration. In response to SST increase alone, the tropospheric warming over the interior of the mid- to high-latitude continents including Eurasia are weaker than those over the surrounding oceans, leading to a weakening of the land–sea SAT contrast over the Far East. Thus, the increasing contrast and associated change in atmospheric circulation over East Asia is explained by CO₂-induced continental warming. The degree of strengthening of the land–sea SAT contrast varies in different transient warming scenarios, but is reproduced through a combination of the CO₂-induced positive and SST-induced negative contributions to the land–sea contrast. These results imply that changes of climate patterns over the land–ocean boundary regions are sensitive to future scenarios of CO₂ concentration pathways including extreme cases.