IPCC AR6报告解读:地球能量收支、气候反馈和气候敏感度

文中对IPCC第六次评估报告(AR6)第一工作组(WGI)报告的第七章关于地球能量收支、气候反馈和气候敏感度中的重要内容进行了凝练,并简要总结该方面的最新研究成果和结论。评估显示,自工业革命以来,人类活动造成的有效辐射强迫(ERF)为2.72[1.96~3.48]W/m^(2),其中,均匀混合温室气体的贡献为3.32[3.03~3.61]W/m^(2),气溶胶的贡献为-1.1[-1.7~-0.4]W/m^(2)。净的气候反馈参数为-1.16[-1.81~-0.51]W/(m^(2)∙℃),云仍然是气候反馈整体不确定性的最大来源。平衡态气候敏感度(ECS)和瞬态气候响应(TCR)可用于评估全球平均地表气温对强迫的响应,是衡量全球气候响应的有效手段。ECS和TCR的最佳估计分别为3.0[2.0~5.0]℃和1.8[1.2~2.4]℃。

耦合模式热带太平洋云—气候反馈模拟误差评估

云—气候反馈是热带海气相互作用的重要过程,同时也是气候模拟的难点。本文利用IPCCAR4提供的耦合模式20世纪模拟试验结果和观测资料,通过滤波和经验正交展开(EOF)的方法将热带太平洋海表温度的年际变化和年代际变化信号分别提取出来,然后再分别计算观测和模式在年际和年代际时间尺度上云—辐射和热通量反馈特征,发现在上述两个时间尺度上,耦合模式模拟的云—辐射和热通量的反馈都要比观测和再分析资料的偏弱。反馈偏弱的可能原因是模式中热带大气对流和云对海表温度变化的敏感性比真实大气要偏弱。值得注意的是,尽管耦合模式热带太平洋年代际热力反馈偏弱,但是耦合模式模拟的热带太平洋南北纬10°之间海表温度的年代际增温趋势与观测相当。进一步分析表明,只用年代际热力反馈来解释热带太平洋的气候变化是不够的,还必须考虑动力反馈对于海表温度变化的调节作用。

短寿命气候强迫因子的自然源排放及气候反馈:IPCC AR6解读

短寿命气候强迫因子(Short-lived Climate Forcers,SLCFs)对大气污染和气候变化具有重要影响,政府间气候变化专门委员会(IPCC,2021)第六次评估报告(AR6)首次专门设立了关于SLCFs的独立章节,除了对人为源SLCFs评估以外,报告也包含了对于自然源SLCFs及其气候反馈的评估。特别地,在未来气候变暖和人为SLCFs持续减排的背景下,加深对SLCFs的自然源排放及其气候反馈的认识将更为重要。本文从自然源SLCFs排放评估、历史和未来气候情景下的排放变化、SLCFs的气候反馈几个方面解读了AR6中有关的最新结论。未来气候变暖情形下,闪电源NO_(x)、植被源BVOCs、生物质燃烧排放将会增加,土壤源NO_(x)、沙尘、海盐颗粒物和二甲基硫(Dimethlysulfide,DMS)对于气候变化的敏感性难以定量。同时,气候变化驱动着SLCFs的排放量、大气含量或寿命的改变,这些过程整体上造成的负反馈参数为-0.20 W/m^(2)/℃(-0.41~+0.01 W/m^(2)/℃),可能从一定程度上缓解气候变暖。

气候反馈对温度空间模态的依赖性:IPCC AR6解读

依据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)第一工作组(WGI)报告第七章的内容,详细解读了气候反馈对温度空间模态的依赖性。与第五次评估报告(AR5)相比,AR6对于地表温度空间模态演变在驱动气候反馈变化中作用的理解已有了较大提升。AR6认为,在温室气体强迫下,北极在21世纪的增温幅度很可能大于全球平均水平,南极在百年时间尺度上的增温要强于热带地区;同时,在百年时间尺度上热带太平洋东部的变暖幅度大于西部,即热带太平洋东-西向海表温度梯度减弱。极地放大效应(尤其是南半球)和热带太平洋东-西向海表温度梯度随时间的变化是影响未来气候反馈如何演变的关键因素。随着地表增温空间模态的演变,气候反馈(尤其云反馈)预计将在未来几十年的时间尺度上逐渐增加,对气候变化更多是起放大作用。

黄土高原地区土地覆盖变化对气候的反馈作用数值模拟

区域尺度土地覆盖变化是自然变化和人类活动共同驱动的结果,同时又对区域气候环境产生反馈。利用欧洲中值数值预报中心(ECMWF)ERA-Interim再分析资料,驱动RegCM4.5区域气候模式,进行了两个时间段(1980-2014、2005-2014)的数值模拟试验。以1∶250 000土地利用图为基础,结合植被图、土壤图制作具有高精度、极强现势性的土地覆盖资料,区域模式中陆面过程模式采用BATS,模拟了现实的土地覆盖改变对气候要素的影响,分析了黄土高原地区土地覆盖变化对气候的反馈作用。结果表明:(1)RegCM4.5不但能够较好描述黄土高原气温、降水的时间空间分布特征,也能够模拟土地覆盖变化对黄土高原局地气候变化的反馈。(2)不同土地覆盖变化特征对气候反馈作用不同,荒漠化会引起局部地区气温升高和降水减少,并通过正反馈机制,致使自然植被生长发育受阻;水域旱化会导致夏季气温升高和降水增加,从而加剧干旱洪涝灾害风险;草地覆盖增加会导致春夏季降水量与气温的降低,秋冬季降水量与气温升高。(3)土地覆盖变化对气温与降水的影响在夏季较强。该研究可促进对黄土高原生态治理环境效应的理解,也能深化对土地利用-气候变化之间互馈作用的过程认识,并为区域生态建设对策选择提供参考。

末次冰盛期气候反馈特征研究

末次冰盛期(Last Glacial Maximum,简称LGM)被认为是较适合用来估算气候系统响应对辐射强迫变化的古气候区间之一.理解LGM时期气候反馈过程有助于进一步限定气候敏感度的范围.本研究利用辐射核方法和参加第三次古气候模式比较计划(Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase Ⅲ,简称PMIP3)的8个耦合模式资料,对比研究了LGM时期与abrupt4xCO2(4CO2)情景下的气候反馈特征.结果表明:全球平均而言,不同情景下温度反馈、水汽反馈和反照率反馈的强度存在显著差异,然而这一关系并不存在于云反馈过程中,这可能与情景间/模式间云反馈的不确定性相联系;在不同情景下,不同反馈过程强度也存在明显空间差异.温度反馈过程的差异主要来源于LGM时期大陆冰盖强迫引起的温度变化的高度空间不均一性和海陆分布改变引起的热带对流活动的变化;水汽反馈变化可能与海陆分布变化引起的沃克环流变化以及全球降温相联系;大陆冰盖和海冰存在是导致LGM时期地表反照率反馈增加的主要原因;而云反馈的差异可能与低云云量和模式间不确定性有关.LGM时期单独强迫数值试验将有助于进一步厘清不同气候状态下气候反馈过程差异的原因.

IPCC AR6对地球气候系统中反馈机制的新认识

气候反馈反映了气候系统内部对外界干扰的适应过程,在很大程度上影响对未来气候变化的预估。本文对政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)中有关气候反馈的内容进行了梳理。相比第五次评估报告(AR5),AR6对云反馈的认识有了较大提高,尤其是副热带海洋上空低云的反馈。AR6认为在高信度上云反馈参数为正值,即对气候变化起到一种放大效应。不过,云反馈的不确定范围在所有反馈机制中依然是最大的。除了普朗克反馈外,其他反馈机制(包括水汽、温度直减率、地表反照率、云、生物地球物理和非CO_(2)生物地球化学反馈)均在正值区间或零附近,总体上对气候变化起到放大效应。AR6对总的气候反馈的估计值为-1.16 W·m^(-2)·℃^(-1),5%~95%的置信区间为[-1.81,-0.51]W·m^(-2)·℃^(-1)。随着气候平均态的增暖,气候反馈参数很可能会更靠近正值。

树木生长对气候变化的响应研究进展

树木生长对气候变化的响应将深刻影响区域植被动态、陆地生态系统生物地化循环、气候反馈及其人类福祉.持续的气候变暖、极端气候事件及自然和人为干扰的增加深刻地影响树木生长动态的时空格局.本文综述了近几十年全球气候变化的整体概况,着重探讨了气候变化对树木生长的影响机制以及树木生长对气候系统的反馈,并就树木生长响应气候变化研究中可能存在的问题和研究前景进行了探讨.提出未来树木生长响应气候变化关系的研究应考虑树木生长响应气候变化的时空差异,加强对树木死亡时空格局及内在机理的认识,重点关注不断增加的极端气候事件及火、虫灾干扰对树木生长的非线性影响机制,并融合地面观测、遥感及陆面动态植被模型模拟等多种分析手段综合分析树木生长对气候变化响应机制的尺度效应及内在机理.

太阳常数的微小变化在气候变化中的作用

将复杂的气候系统抽象为含有云辐射动态反馈过程的高度非线性气候模型，利用分岔理论，分析了该模型的平衡态及其稳定性。计算结果表明，云反照率反馈、地表反照率反馈和水汽反馈是气候系统呈现多平衡态结构的主要因素，是气候变化复杂性根源，而云放射率反馈对系统结构的影响，只有在强烈的水汽放射率反馈条件下才表现明显。较强的地表反照率反馈和水汽放射率反馈，均可在太阳常数仅有微小变化时就能导致全球气候突变。

气候变化研究中的大气垂直结构探测述评

有关大气成分和性质的垂直廓线的观测和资料积累在气候强迫、气候反馈以及有关气候变化研究的许多方面起着关键性作用。关于温室气体、大气气溶胶、水汽、云和温度的大气垂直廓线,目前仍然有许多尚未解决的科学问题;这些问题的解决,对于理解与未来气候变化有关的多种人为和自然因素的作用,以及影响气候变化敏感性的多种复杂的物理过程十分关键。此外,大气垂直结构观测水平的提高对于气候模式的发展也具有重要意义。进一步完善整层大气的高分辨率垂直结构的观测方法在气候变化研究领域具有广阔的应用前景。

温室效应与气候变化

气候学家普遍认为温室气体引起的辐射异常可能构成10年或更长尺度气候变化的支配因子,甚至导致一场大规模的气候变化。温室效应已从CO_2问题扩展到痕量气体问题。大气环流模式发展到能模拟瞬时非平衡态响应。海洋模式可以将热量向深海扩散和沿表层向极地输送,表层环流能够响应气候的变化。新近模拟表明,温室增温已接近可被探测出来的关键阶段。一二十年后增温将超出温度自然波动幅度。但是,现阶段还无法把温室效应从气候自然噪音中区分出来。所谓温室效应引起的气候变化已经存在的说法还仅仅是合乎逻辑的推断。

青藏高原表面温度对温室气体增加的响应及其不确定性:基于CMIP6的研究

近几十年来,青藏高原呈现显著增暖趋势,准确预估青藏高原未来气候变化对农业、生态系统、社会经济和人类生存与发展有着重要的科学意义。本研究基于CMIP6模式中18个模式在CO_(2)浓度突然4倍(abrupt-4×CO_(2))强迫下的实验结果,运用气候反馈响应分析方法(CFRAM),研究温室气体强迫下青藏高原增暖响应、进行归因分析并讨论其模式间差异的来源。结果表明,高原地表增暖在很大程度上是温室气体强迫和正的水汽反馈造成的,并通过反照率反馈、云反馈以及地表热存储过程进一步放大,表面感热和潜热过程抑制了升温的幅度。其中,反照率反馈是造成青藏高原变暖比全球陆面平均增暖更强烈的原因。高原增暖响应的不确定性主要由云反馈贡献,其次是反照率反馈以及水汽反馈,但被感热和潜热过程削减。

全球气候变化中的云辐射反馈作用研究进展

云的形成过程及其类型复杂多样,在气候系统中发挥着重要作用.在当前气候背景下,云在大气顶的净辐射效应为负值,即对地气系统起着强烈的冷却作用.云反馈过程是当前气候变化研究中不确定性最大的因子之一,其强度会随时间、空间、云量、云高、云光学厚度等发生变化.目前,观测研究和气候模拟都表示全球平均云反馈为正值,以热带高云高度反馈和热带海洋低云量反馈两个正反馈为主,但是云反馈仍然存在较大的不确定性.在温室气体驱动的全球变暖下云如何对气候系统进行反馈至关重要,它直接影响气候敏感度的估算并决定着气候模式对未来全球变暖预估的准确性.因此,云反馈强度也会在很大程度上影响温室气体减排政策的制定.为此,本文回顾了云在气候系统中反馈作用的最新研究进展,指出了该研究领域当前面临的关键挑战,最后,对未来需要开展的研究进行了讨论与展望,以期为全球和东亚区域云辐射物理过程模拟、模式不确定性分析以及未来气候变化和全球变暖预估等方面的研究提供系统的科学参考.

农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈研究进展

地表过程对全球变化的响应和反馈是地球系统科学研究的核心课题之一,目前的研究多关注全球变化对地表过程的影响,而地表动态过程对地表生物物理过程及气候的反馈研究较少。系统认识地表物候动态对生物物理过程及气候的反馈对深化地球系统科学研究有着重要的意义。本文从农业物候动态的事实、农业物候动态在陆面过程模型中的参数化表达、农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈等方面进行综述,发现在气候变化和管理措施影响下,以种植期和灌浆期为代表的农业物候期发生了显著的规律性变化;耦合农业物候动态,改善了模型对地表动态过程、生物物理过程和大气过程的数字化表达;农业物候变化对地表净辐射、潜热、感热、反照率和气温、降水、环流等过程产生了影响,并表现出以地表能量分配为主的气候反馈机理。针对农业物候动态对地表生物物理过程及气候效应的时空重要性,需要继续开展以下方面的工作:(1)加强全球变化对地表物候动态的影响及其反馈的综合研究;(2)不同光谱波段地表反射率与农业物候动态的关系研究;(3)农业物候动态引起的作物生理学特征变化在地表生物物理过程中的贡献;(4)重视不同气候区物候动态对气候反馈效应的差异。

美国2013—2017年北极研究计划

当前,北极地区面临着越来越大的经济、环境和文化挑战,成为科学研究的重点,以更好地应对气候变化。为此,美国跨部门北极研究政策联合委员会(IARPC)根据法律制定了2013-2017年北极研究计划,确定了今后5年北极研究重点,力争美国在未来保持北极研究的领先地位。该计划重点围绕以下7个研究领域,分别是:海冰与海洋生态系统研究、陆冰与生态系统研究、地表热量、能量以及质量平衡的大气研究、观测系统研究、区域气候模型研究、区域可持续发展的气候适应工具研究、人类健康研究等。

解密:水文主导河流和海水Li同位素变化

晚新生代以来全球气候变冷到底是受“气候反馈”还是“构造抬升”控制一直是地球科学研究的前沿热点之一,存在不同观点和激烈争论,大量论文发表在Nature和Science上(Molnar and England,1990;Raymo and Ruddiman,1992;Willenbring and von Blanckenburg,2010;Caves Rugenstein et al,2019)。其争论的根源在于:到底是什么机制主导着硅酸盐岩风化,进而调控着大气CO_(2)浓度的变化?Misra and Froelich(2012)在Science发表了68 Ma以来海水Li同位素(δ7Li)的变化曲线,提出海水δ7Li值可以反映造山带风化,并认为新生代以来海水δ7Li值增加9‰是构造抬升导致风化增强的结果。该文的发表掀起了Li同位素示踪大陆风化的浪潮,再次刺激了“构造—风化—气候”内在联系的新一轮争议(Caves et al,2016;Penniston-Dorland et al,2017;Caves Rugenstein et al,2019;Si and Rosenthal,2019;Clift and Jonell,2021)。那么,海水的δ7Li是否能有效示踪硅酸盐岩风化呢?其主导的控制因素到底是什么?

古气候演化特征、驱动与反馈及对现代气候变化研究的启示意义

古气候与现代气候变化研究如何有效结合,特别是古气候研究如何为理解现代气候变化过程提供背景条件、边界约束和理论框架,值得深入探讨。文章以现代、历史时期、全新世、晚第四纪和新生代为时间基线,回顾阐述了过去气候演变特征、成因机制及其对现代气候变化研究的启示意义,探讨了过去与现代气候变化融合研究中存在的不确定性。过去气候演化过程的研究,加深了人们对地球气候系统运行机制的理解。研究表明,各个时期中,地球气候经历了不同相位、幅度和速率的变化,气候系统各分量之间发生了复杂的相互作用,以地表温度为代表的地球表面热力环境演化是各不同阶段气候变化的基本表现形式。全球温度变化不仅受到太阳输出辐射、地球轨道参数和地球构造运动等的影响,而且与地球表层水圈中的海洋、冰冻圈中的大陆冰盖、生物圈中的海洋浮游生物和陆地植被,以及大气圈中的温室气体、粉尘气溶胶、水汽和云等活跃组分之间,存在着多尺度复杂反馈作用。在同一时间尺度上,气候系统分量的互馈通路可能是同向的、可比的,各分量之间的对应关系或具有一致性,研究结论对于预估未来气候变化有借鉴意义;但在不同时间尺度上,气候系统各分量之间的相互联系机制可能难有一致性和可比性,古今互鉴,就需要慎重。

BCC_AGCM2.1对中国东部地区云辐射特征模拟的偏差分析

通过与观测及再分析资料的对比,评估了中国国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.1对中国东部地区云辐射特征的模拟性能,并着重分析了模拟偏差的原因。在云辐射特征的基本气候态模拟方面,模式能大致再现中国东部中纬度层状云大值带,以及层状云冷季多、暖季少的季节特征,模拟的短波云辐射强迫也具有与观测相对应的季节变化特征。在云辐射强迫和地面温度相互影响过程的模拟方面,模式也能模拟出与观测相近的相互作用过程,即地面温度降低伴随着层状云云量增多以及负的净云辐射强迫加强,升温时层状云云量减少和净云辐射强迫减弱。但模式模拟的大陆层状云云量系统性偏少(尤其在冷季),使得模式在该处的短波云辐射强迫明显偏弱。初步分析表明,造成层状云模拟差异的主要原因是在中国西南地区对流层低层模式模拟的偏南气流明显偏弱以及陆-气潜热通量偏小。偏南气流偏弱导致低层散度和垂直运动条件不利于中层云的形成。同时偏南气流偏弱也不利于向西南地区的水汽输送,再加上模式模拟地表向上潜热通量偏小,这二者都使得模式模拟中国西南区域对流层低层的水汽含量严重偏少,相对湿度偏低,同样不利于层状云生成和发展。水汽偏少进一步导致在冷异常情况下青藏高原下游云辐射-地表温度反馈模拟偏弱,即呈现冷异常时,水汽条件偏弱限制了云量增加,弱化了进一步降低温度的反馈过程。

全球变暖影响地球系统自净功能加剧温室气体释放

人类活动引起的活性氮添加和气候变暖已经成为全球性的生态环境问题[1].微生物介导的反硝化和厌氧氨氧化是地球系统中两个活性氮移除通路,其中反硝化能产生氧化亚氮(N2O);而厌氧氨氧化则不产生N2O,成为环境和气候友好型通路[2].反硝化与厌氧氨氧化的相对变化在一定程度上影响生态系统内部的活性氮储库大小,同时调控全球气候变化.陆海界面的沉积物是脱氮发生的热点场所,然而全球变暖背景下,沉积物微生物脱氮过程对升温的响应及其气候反馈仍属未知.

青藏高原木本植物扩张对生长季地表昼夜温度的影响

木本植物扩张或灌丛化是全球性的生态环境问题。近年来青藏高原发生了大规模的木本植物扩张。然而木本植物在青藏高原扩张的时空分布特征及其对局地地表温度(LST)如何影响尚不清楚。基于MODIS土地覆盖产品识别出青藏高原木本植物扩张的空间分布,并利用移动窗口搜索法,探究其对生长季昼夜LST的影响规律及成因。结果表明,2001至2018年木本植物扩张的范围和程度均整体呈增加的趋势。在2018年,木本植物扩张使生长季白天LST降低(2.60±0.34)℃,夜间LST增加(0.94±0.22)℃,净效应使日均LST降低(0.83±0.24)℃。产生这种现象的原因是蒸散发增加((+13.46±6.65)mm/a)等引发的降温效应超过了以反照率减少(-0.031±0.003)为代表的增温效应。气候背景对该影响的空间分布具有相当的控制作用,即降水主导着白天LST的改变,但气温在夜间LST变化中占据更重要的地位。总体上,在气温越低、降水率越高、高程越低的地方发生的木本植物扩张更倾向于降低局地LST。与同一年中越湿润的地方越倾向于降温“相悖”的是,在不同的水文年,更干旱的年份对白天LST具有更强的降温作用,这可能是受木本植物和草本植物从土壤深处吸水能力差距的影响。理解木本植物扩张在改变LST方面的生物物理效应有利于准确预测青藏高原植被变化带来的气候反馈,并为土地利用和管理提供借鉴。