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）。     

百年尺度不同区域地表气温对CO2浓度非均匀动态分布敏感度的研究

地球系统模式结果表明大气CO₂浓度的快速增加是气候变化重要的原因之一。卫星资料分析结果表明，大气CO₂浓度并非均一的，而是有明显的区域差异，以人类活动为主的碳排放会影响这一区域差异。这种空间差异如何影响区域地表气温对CO₂的敏感度，需要进一步深入系统的研究，利用地球系统模式BNU-ESM(Earth System Model of Beijing Normal University)进行数值模拟，并与观测数据进行比较，结果表明：在试验模拟结果2°C阈值内，非均匀CO₂浓度试验的CO₂浓度增加阈值范围小于均匀CO₂浓度试验结果，偏少约为4.3 ppm(10₆)。在区域尺度上，中国地表气温对CO₂敏感度普遍低于美国、欧洲以及北半球平均水平，这表明CO₂浓度空间差异对地表气温的敏感度的影响存在明显区域差异，很可能是CO₂浓度辐射效应与气候系统反馈过程的共同作用结果，这需要进一...     

CMIP6地球工程模式比较计划（GeoMIP）概况与评述

太阳辐射管理地球工程是应对气候变化的备用措施。地球工程模式比较计划（GeoMIP）是第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的重要组成部分。GeoMIP设计了一系列理想化地球工程试验,包括直接减少太阳辐射强度、向平流层注入硫酸盐气溶胶、向海表上空云层注入气溶胶凝结核、增加海水反照率等。在GeoMIP的统一模拟框架下开展地球工程模拟试验,进一步揭示了不同地球工程措施对全球气候的影响和作用机理,从而帮助我们更好地认知气候系统对地球工程的响应过程。更多的中国气候模式参加GeoMIP将提升我国在地球工程研究和国际气候谈判中的国际影响力和话语权。     

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。     

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。     

气候系统对CO2强迫和太阳辐射强迫在不同时间尺度的响应

使用HadCM3L气候模式,针对突然增加的4倍CO₂浓度和增加4%的太阳辐射强迫进行一系列理想化模拟试验,分析并比较了CO₂强迫和太阳辐射强迫对气候系统的影响机制和异同。模拟结果表明,突然增加的4倍CO₂浓度和增加4%的太阳辐射造成的长期全球表面平均温度变化基本相同,但二者造成降水的变化差异很大。气候系统对CO₂和太阳辐射的响应可以分为快响应和慢响应两个部分,而降水的差异主要体现在大约1个月时间尺度内的快响应阶段,在这一时间段,陆地区域CO₂的气孔效应减少了植被的蒸腾作用,导致降水受到抑制;海洋区域CO₂的辐射效应会首先导致大气长波吸收增强,而海洋的比热较大,所以海表温度变化落后于低层大气,低层大气的垂直稳定度增加,海表向上蒸发受到抑制。此外,比较不同时间尺度上CO₂对气候系统的影响,可以发现在1个月的短时间尺度上,对陆地而言,CO₂的气孔效应对气候系统的影响占主导地位,但在数年以上更长的时间尺度上,CO₂的辐射效应是导致地气系统温度升高的主要原因。     

地球系统模式发展展望

在调研国际国内气候系统模式的基础上,给出了地球系统模式的定义和它的3个发展阶段:物理气候系统模式、地球气候系统模式和地球系统模式,阐述了未来的地球系统模式发展的战略意义,介绍了国际国内围绕地球系统模式的发展所提出的科学研究计划,并基于政府间气候变化委员会第四次评估报告的参评模式,回顾了国内外地球系统模式发展现状与动态,展望了未来的可能发展方向,希望能对国内的地球气候系统模式发展有所帮助.     

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。     

CAMS-CSM模式及其参与CMIP6的方案

世界气候研究计划(WCRP)组织开展的耦合模式比较计划已实施到第六阶段（CMIP6),中国气象科学研究院发展的气候系统模式CAMS-CSM是注册参加CMIP6的模式之一。除CMIP6要求的气候诊断、评估和描述试验（DECK）以及历史气候模拟试验（Historical）外,CAMS-CSM还计划参加情景模式比较计划（ScenarioMIP)、云反馈模式比较计划（CFMIP)、全球季风模式比较计划（GMMIP）和高分辨率模式比较计划（HighResMIP)这4个模式比较子计划（MIPs)。文中通过介绍CAMS-CSM的基本情况和模拟性能,以及计划参加的CMIP6试验及MIPs,为模式试验数据使用者提供参考。     

零维气候模式中物理参数对气候状态的影响

建立一个包含年平均下垫面温度、边界层气温的非线性的零维气候模式, 用于研究物理参数 (地球放射率、大气有效放射率、地表反照率、大气透射率等) 对气候系统状态的影响。结果表明, 气候系统的平衡态及其稳定性与反照率的反馈作用和有效放射率有关; 在现代气候条件下, 适当的非线性负反馈与二氧化碳、水汽、云共同作用时, 有利于系统状态趋于稳定。此外, 通过与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程, 考察了在参数α₂w, I₀的作用下, 系统状态的分布情况。     

Carbon dioxide capture and storage: a status report

Abstract

Fossil fuel combustion is the largest source of anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. As a result of combustion, essentially all of the fuel carbon is emitted to the atmosphere as carbon dioxide (CO₂), along with small amounts of methane and, in some cases, nitrous oxide. It has been axiomatic that reducing anthropogenic GHG emissions requires reducing fossil-fuel use. However, that relationship may no longer be as highly coupled in the future. There is an emerging understanding that CO₂ capture and storage (CCS) technology offers a way of using fossil fuels while reducing CO₂ emissions by 85% or more. While CCS is not the ‘silver bullet’ that in and of itself will solve the climate change problem, it is a powerful addition to the portfolio of technologies that will be needed to address climate change. The goal of this Commentary is to describe CCS technology in simple terms: how it might be used, how it might fit into longer term mitigation strategies, and finally, the policy issues that its emergence creates. All of these topics are discussed in much greater detail in the recently published Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (SRCCS) (IPCC, 2005).     

Benchmarking Climate-Carbon Model Simulations against Forest FACE Data

Terrestrial carbon fluxes are an important factor in regulating concentrations of atmospheric carbon dioxide (CO₂). In this study, we use a coupled climate model with interactive biogeochemistry to benchmark the simulation of net primary productivity (NPP) and its response to elevated atmospheric CO₂. Short-term field experiments such as Free-Air Carbon Dioxide Enrichment (FACE) studies have examined this phenomenon but it is difficult to infer trends from only a few years of field data. Here, we employ the University of Victoria's Earth System Climate Model (UVic ESCM) version 2.8 to compare simulated changes in NPP due to an elevated atmospheric CO₂ concentration of 550 ppm to observed increases in NPP of 23% ±2% from four temperate forest FACE studies between 1997 and 2002. We further compare two scenarios: elevated CO₂ with climate change, and elevated CO₂ without climate change, the latter being consistent with FACE methodology. In the climate change scenario global terrestrial and forest-only NPP increased by 24.5% and 27.9%, respectively, while these increases were 21.0% and 17.2%, respectively, in the latitude band most representative of the location of the FACE studies. In the scenario without climate change, terrestrial and forest-only NPP increased instead by 28.3% and 30.6%, respectively, while these increases were 24.3% and 14.4%, respectively, in the FACE latitudes. This suggests that the model may underestimate temperate forest NPP increases when compared to results from temperate forest FACE studies and highlights the need for both increased experimental study of other forest biomes and further model development.     

Public support for carbon dioxide removal strategies: the role of tampering with nature perceptions

Climatic Change - Carbon dioxide removal (CDR) describes a suite of controversial approaches to mitigating climate change that involve removing existing carbon dioxide from the atmosphere. Through...     

全球碳排放格网化格局的变化

基于世界各国年碳排放总量数据和人口密度数据,将人口密度作为一项经济-人口综合指标来对碳排放进行空间分配,运用ArcGIS空间分析工具,做出了1950年、1980年、2014年共3期的全球碳排放空间分布格局图 （0.1?×0.1?),并对各期分布格局及变化进行了比较分析。结果显示：1950年主要碳排放区为美国的东部和欧洲地区,1980年新增中国东部、日本、韩国等为全球碳排放的主要区域,2014年新增印度、东南亚为主要排放区。各碳排放区的排放量总体上大幅增加,少数地区略有减少,这与其工业发展所处的不同阶段有关。该数据能够反映当前全球不同区域的碳排放水平的空间格局,为全球变化研究提供基础数据。     

Adjustment of the natural ocean carbon cycle to negative emission rates

Carbon dioxide removal (CDR) is the only geoengineering technique that allows negative emissions and the reduction of anthropogenic carbon in the atmosphere. Since the time scales of the global carbon cycle are largely driven by the exchanges with the natural oceanic stocks, the implementation of CDR actions is anticipated to create outgassing from the ocean that may reduce their efficiency. The adjustment of the natural carbon cycle to CDR was studied with a numerical Earth System Model, focusing on the oceanic component and considering two idealized families of CDR policies, one based on a target atmospheric concentration and one based on planned negative emissions. Results show that both actions are anticipated to release the anthropogenic carbon stored in the surface ocean, effectively increasing the required removal effort. The additional negative emissions are expected to be lower when the CDR policy is driven by planned removal rates without prescribing a target atmospheric CO₂ concentration.     

区域尺度土地利用/土地覆盖变化对气温日较差的影响

利用NCAR CAM4.0模式,针对潜在植被和当代植被两种典型土地覆盖类型,通过平衡态试验探讨土地利用/土地覆盖变化（land use/land cover change, LUCC）对气候的影响。结果表明,LUCC对气温日较差有明显影响。日较差的响应与LUCC变化的区域有紧密的联系。在中纬度,LUCC引起日较差减小,这主要由日最高气温的降低造成。在低纬度东亚地区,日较差的减小主要由日最高气温的降低造成;而在印度半岛,日较差的减小主要由日最低气温的升高决定。这种区域性的差异,主要是由于植被蒸腾和冠层蒸发的作用,LUCC能够显著调节气温日较差的变化。     

Potential impact of climate change on carbon in agricultural soils in Canada 2000–2099

Under the threat of global warming it is important to determine the impact that future changes in climate may have on the environment and to what extent any adverse effects can be mitigated. In this study we assessed the impact that climate change scenarios may have on soil carbon stocks in Canada and examined the potential for agricultural management practices to improve or maintain soil quality. Historical weather data from 1951 to 2001 indicated that semi-arid soils in western Canada have become warmer and dryer and air temperatures have increased during the spring and winter months. Results from the Canadian Center for Climate Modelling and Analysis (CCCma) Coupled Global Climate Model (CGCM1,2) under two climate change forcing scenarios also indicated that future temperatures would increase more in the spring and winter. Precipitation increased significantly under the IPCC IS92a scenario and agreed with historical trends in eastern Canada whereas the IPCC SRES B2 scenario indicated very little change in precipitation and better matched historical trends in western Canada. The Century model was used to examine the influence of climate change on agricultural soil carbon (C) stocks in Canada. Relative to simulations using historical weather data, model results under the SRES B2 climate scenario indicated that agricultural soils would lose 160 Tg of carbon by 2099 and under the IS92a scenario would lose 53 Tg C. Carbon was still lost from soils in humid climatic regions even though C inputs from crops increased by 10–13%. Carbon factors associated with changes in management practices were also estimated under both climate change scenarios. There was little difference in factors associated with conversion from conventional to no-till agriculture, while carbon factors associated with the conversion of annual crops to perennial grass were lower than for historical data in semi-arid soils because water stress hampered crop production but were higher in humid soils.     

土地利用模式比较计划(LUMIP)简评

为进一步促进土地利用和土地覆盖变化（Land-Use and Land-Cover Change,LULCC）以及土地管理对气候影响的理解,第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）设立了土地利用模式比较计划（LUMIP）。该计划主要包括两个阶段的试验设计：第一阶段涉及理想的毁林情景耦合试验和陆面模式模拟试验,旨在促进LULCC对气候影响过程的理解,并量化模式对LULCC的敏感性。第二阶段的试验重点关注土地利用变化的历史影响,以及未来土地管理决策在减缓气候变化方面的潜力。本文概述了其科学背景、试验设计和方案、参与模式情况等,并简评了该计划的研究意义和特色,以期读者迅速了解其相关的研究要点和发展方向。