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白色云彩鸟瞰图。 图片来源:H. Mark Weidman摄影/Alamy Stock Photo。
气候敏感性
2018年6月19日15:00

解释者:科学家如何估计“气候敏感性”

齐克Hausfather

齐克Hausfather

06.19.18
齐克Hausfather

齐克Hausfather

19.06.2018 |下午3:00
气候敏感性 解释者:科学家如何估计“气候敏感性”

灵敏度大气中二氧化碳浓度的增加是气候科学的核心问题。biwei6868

基本上,它决定了全球温度会因人为引起的二氧化碳排放而增加,但这是一个问题尚未明确的答案。

多年来,估计估计将气候敏感性放在1.5℃和4.5℃之间的温暖,为预工业二氧化碳水平加倍。尽管许多个人研究声称缩小了它,这一范围仍然宽敞广泛。然而,最近的工作组合了多行证据的工作可能有助于适度缩小这一范围。

在这里,碳简必威手机官网短审查气候敏感性研究过去二十年出版。这些研究使用气候模型,最近的观察及古气候来自地球更遥远过去的数据来估计气候敏感性。

尽管缩小敏感性范围不会改变对快速脱碳的需求,但它可能有助于决策者微调他们未来的计划。

不同类型的灵敏度

气候敏感性是指将响应于与产业前水平相比的大气二氧化碳浓度的加倍而发生的全局表面变暖量。

二氧化碳从工业化前的水平增加了每百万份280份(ppm)到今天大约408 ppm.如果不采取行动减少排放,排放浓度可能会达到560ppm,是工业化前水平的两倍2060年左右

科学家使用的气候敏感性有三种主要措施。第一是平衡气候敏感性(ECS)。地球的气候需要适应CO2浓度的变化。例如,由二氧化碳加倍捕获的额外热量将花费数十年来分散深层海洋。ECS是一旦所有这些过程达到平衡,就会发生变暖量。

第二是瞬态气候响应(TCR)。这是在CO2双打时可能发生的变暖量,每年逐渐增加1%。TCR更紧密地匹配过去的二氧化碳浓度的变化。它与ECS不同,因为大气和海洋之间的热量分布尚未达到平衡。

一种探望气候敏感性的第三种方式,地球系统敏感性(ESS)包括非常长期的地球系统反馈,例如冰盖的变化或植物覆盖的分布的变化。

TCR明显低于ECS。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告已完成于2014年完成的可能ECS范围为1.5℃至4.5℃,为大气二氧化碳浓度加长,但可能的TCR仅为1C至2.5℃。

反馈驱动不确定性

广泛的气候敏感估计是由不确定性的驱动的气候反馈,包括水蒸气、云层、表面反射率和其他因素将如何随着地球变暖而变化。气候反馈是指可能放大(正反馈)或减弱(负反馈)CO2浓度增加或其他引起的变暖效应的过程气候强迫-最初驱动气候变化的因素。

简单的物理学表明世界将温暖略高于1摄氏度一旦二氧化碳翻倍,如果不考虑反馈。然而,有非常有力的证据基于地球的过去和所涉及的物理过程,这反馈将放大这种变暖。

水蒸气本身就是一种强大的温室气体,它是最大的单一气体,也是最容易理解的气候反馈之一。随着全球变暖,大气中的水蒸气数量预计将增加,因此,温室效应也将增加。

卫星测量证实在过去几十年里,水蒸气浓度一直随着大气温度的升高而增加。

温暖和潮湿的气氛也将影响云覆盖.但是,它是更不确定云覆盖的变化如何影响气候敏感性。

低空云层的增加会通过将更多的阳光反射回太空来抵消一些变暖,而高空云层的增加会捕获额外的热量。与此同时,阻挡阳光的云层从热带向两极转移,那里的阳光照射强度较低,这将降低云层阻挡阳光的能力。

云层成分的变化也很重要:与主要由冰晶组成的云层相比,含有更多水滴的云层“在光学上更厚”,更有效地阻挡阳光。所有这些都意味着云反馈的全球净效应是复杂的,科学家很难精确建模。

一个变暖的世界也将有较少的冰雪覆盖。冰雪反射太阳光线的冰雪较少,融化将减少地球Albedo.放大变暖

这些和其他反馈的组合将〜1c的〜1c升温单独转换为可能变暖的不确定范围,从大约1.5℃到4.5℃。

一个非常稳定的范围

在1979年,夏尼报告来自美国国家科学院建议,每二氧化碳时,ECS可能会在1.5℃和4biwei6868.5℃之间。近40年后,最佳敏感性的估计在很大程度上是相同的。这有导致一些人质疑为什么估计气候敏感性的进展情况很少。

来自美国国家科学院的1979年Charney报告的涵盖。biwei6868

来自美国国家科学院的1979年Charney报告的涵盖。biwei6868

然而,安德鲁教授Dessler.德州农工大学推回这个建议。他讲碳简短:必威手机官网

我认为自20世纪70年代后期以来“不确定性”的想法是错误的。如果你看看Charney的报道,很明显他们对气候有很多事情。所以他们对不确定性的估计是,在我看来,方式太小了

随着时间的推移,我们对气候有了更多的了解,专家对如何评估不确定性的判断也有所改进。因此,尽管不确定性似乎保持不变,但这反映出,我们对气候敏感性认识的改善,在很大程度上被我们对不确定性认识的改善所掩盖。事实上,我想我可以说今天的范围高估实际的不确定性。

早在1979年,人们对气候科学的了解远不及今biwei6868天。用于评估气候敏感性的证据要少得多。查尼报告范围是基于只有两个早期气候模型的身体直觉和结果。

相比之下,现代敏感性估计是基于来自许多不同来源的证据,包括模型,观察和古爱目估计。随着Dessler的建议,在过去几十年中,了解气候敏感度的主要进展之一是科学家们的能力更加自信地排除非常高或非常低的气候敏感性。

不同的估算敏感性方式

那么,这些不同的证据表明气候科学家用来评估气候敏感性?

物理为基础气候模型在地球上可用于运行一旦CO 2浓度增加了一倍的变暖会发生模拟。气候敏感度代表一个“紧急财产的气候模型,而不是预先设定好的东西。

气候模型提供了广泛的敏感性估算,因此研究人员经常检查气候模型的子集 - 根据它们与气候的不同当今观察结果相匹配。这些被称为“约束模型”。

也可以从表面温度和海洋热含量的仪器记录估计灵敏度,以及如何气候强迫过去已经改变了。

科学家们也可以通过比较,观察更遥远的过去来评估气候的敏感性古典气候变化在地球过去的力量变化的估计。

最后,科学家可以结合多种不同的方法来试图获得更全面的画面。

下图由Carbon Brief绘制,显示了自2000年以来必威手机官网发布的对气候敏感性估计的评估。它是基于数据的摘自2017年《自然地球科学》的一篇论文biwei6868通过里特•Knutti教授和同事们埃尔希希并更新到现在。

每个点都显示了一项单独研究对气候敏感性的最佳估计,而条形图则显示了该研究评估的可能敏感性值的范围。颜色表示研究的类型。

值得注意的是,不同的研究有时会使用不同措施的“最佳估计”以及灵敏度范围,因此并不总是直接可比。结果,应仅作为说明不确定的传播来观察最佳估计(黑线)和范围(黑线)和范围(黑色线)和范围(阴影灰色区域)的平滑平均值。

(通过拖动光标来“绘制”一个方框,扩展下面图表的任何区域。)

汇编气候敏感性的研究改编自Knutti等人2017年基于a的2019年3月扩展谷歌学者搜索“气候敏感性”与研究人员的咨询。点显示每项研究的最佳估计,这可能是均值,中位数或其他公制,具体取决于研究。酒吧表示不确定性范围,可能是一个Sigma.根据研究,90%或两种Sigma。黑色虚线表示平滑的线黄土适合最佳估计,而灰色范围显示相似的适合高低估计。

虽然之前几十年发表了一些研究,但这张图表突出了自21世纪初以来的研究热潮。大多数研究对敏感度的最佳估计在1.5至4.5摄氏度之间,但也有一些非常高或非常低的研究。

所有这些研究的敏感度可能随着时间的推移可能略微缩小,尽管平均仍然相当接近3℃。与之相反索赔在许多气候怀疑论者网站上,近年来近年来近年来敏感的任何下降趋势。

然而,近年来,在敏感范围的低端存在一些分歧。基于模型和古气候的方法(蓝色和紫色的线和点)很少能提供低于2摄氏度的敏感性估计,而使用仪器数据的方法(橙色)往往能提供。这有助于IPCC将其敏感性范围从2摄氏度扩大到4.5摄氏度第四次评估报告,于2007年发布,到了1.5℃至4.5℃第五次评估

不同的方法部分地产生不同的估计,因为它们正在测量气候系统的不同性质。推断气候敏感度的时间尺度 - 由于它不能直接测量 - 物质很多,所以即使每个是准确的,也可以预期不同的方法给出不同的估计。

下图说明了不同类型研究发现的敏感度的范围。彩色的条形显示自2000年自2000年以来发表的所有研究的高低估计的高度和低估计值的中位数,黑点显示的最佳估计中位数。

来自所有研究的高,低,估计敏感性的中位数(请参阅电子表格)自2000年以来通过研究类型发表。所有研究均显示在右侧的红色条形图中。注意,因为研究并非所有方法都使用相同的方法并且通常不会直接相当,这应该被视为说明性。

总的来说,大多数方法的灵敏度一般在每增加一倍的二氧化碳3摄氏度左右。基于仪器数据的研究是一个异常值,倾向于显示一个相当低的2摄氏度左右的估计值。古气候研究显示,最好的估计是3摄氏度左右,但往往比其他方法有更大的高端不确定性。这是因为它们包括一些反映与ESS相关的长期反馈的研究。

仪器记录的灵敏度低

那么,为什么有些方法往往比其他方法产生更高或更低的灵敏度估计?

如上所述,基于仪器气候记录的估计倾向于表现出较低的气候敏感性。自发表以来,在这种明显的异常中有强烈关注有影响力的2013论文通过亚历山大·奥托博士牛津大学和其他16个,将ECS放在1.2℃和3.9C之间,最佳估计为2C。

一些评论员争论乐器方法是优选的,因为它基于物理观察。然而,仪器记录估计仍然需要气候的概念或物理模式。

作为Knutti和同事建议:“这些方法依赖于模型:既可以提供强迫估计,例如气溶胶强制,并通过能量平衡模型将迫使气候响应迫使。必威体育在线注册因此,观察估计与使用综合模型的方法互补,但具有自己的不确定性。“

基于工具研究的估计可能低于其他方法有几个原因。

对强迫的估计存在很大的不确定性气溶胶,以及估计海洋热量.用于评估表面温度变化的仪器记录也可能对结果产生很大影响。

一些仪器表面温度记录在快速变暖的北极和世界其他地区的覆盖范围很差。依靠不完整的观测,会错过一些温度上升。地表温度记录也结合海面温度在海洋上覆盖着地面的海洋,而模型的气候敏感性是指土地和海洋的全球空气温度。

马克·理查森博士NASA的喷气推进实验室和同事发表了论文2016年,在与仪器记录实际测量的东西相匹配的模型中估计气候敏感性。他们发现,这导致灵敏度估计类似于那些从仪器方法获得的结果。

下图显示了Otto等人到左(黄色)中的TCR估计值CMIP5气候模型在中间(蓝色)中,以及CMIP5气候模型的TCR估计,符合什么乐器记录测量右侧(红色)。

来自Otto等人2013(左)的瞬态气候响应(TCR)与全部相比CMIP5型号(中)和CMIP5模型限制为HadCRUT4覆盖并使用海面温度而不是海洋的表面空气温度(称为遮蔽/混纺)。基于Richardson等人的图4。(2016年)。

比较与类似物相比可以调和TCR的大部分,仍然存在较大的差异ECS和模型与古藏方法的仪器估算之间。

研究人员试图了解这些探索为什么工具方法导致尤为州的ECS估计的近期报纸的这些差异而不是其他证据。

仪器的方法很复杂事实是气候迫使在过去的世纪中,不纯粹来自二氧化碳,因此,气溶胶的冷却效果部分掩盖了变暖。

一个重要的观点是,气候反馈的强度预计会随着时间的推移而变化,更强的反馈需要更长的时间才能出现。

2017纸通过Cristian ProistoseScu博士彼得Huybers教授哈佛大学在气候模型中,在ECS中发挥重要作用的放大反馈尚未完全适用于当前的气候条件。一个类似的论文通过凯尔教授盔甲在华盛顿大学的建议,由于地球朝均衡移动,反馈从今天的瞬态变暖将增加约25%。

这意味着基于迄今为止的仪器变暖的敏感性估计低调,因为他们不会在将来的变暖中捕捉反馈的更大作用。作者认为“核算这些......将历史记录带入与模型衍生的ECS估计值同意”。

这部分是因为反馈很大程度上依赖于变暖的空间模式。阿默尔教授在气候实验室书的讨论中详细阐述网站

“几乎所有的GCMS [全球气候模型]显示出在强制下的时间随时间变化的全局辐射反馈,随着均衡的平衡,有效的气候敏感性增加。结果,从瞬态变暖估计的气候敏感度看起来小于ECS的真实值......

据我们所知,这种效应的物理原因是全球反馈取决于表面变暖的空间格局,从而改变随着时间的推移…一个很好的例子是在南大洋海冰反照率反馈:因为变暖尚未出现,积极反馈尚未被激活(不稳定)。

这意味着,即使对全球数量(地表变暖、辐射强迫、热吸收)有完善的认识,也不足以准确估计ECS;你还必须预测未来辐射反馈将如何变化。”

安德鲁教授Dessler.他告诉《碳简报》,了解地表变暖的必威手机官网模式如何影响敏感性,是我们近年来对气候敏感性理解的主要进展之一。他认为,它“使我们能够解决20世纪(工具)估算和其他给出更高值的估算之间的差异”。

一个最近的论文由美国宇航局的Kate Marvel博士他的同事们使用另一种方法来探索基于工具和模型的灵敏度估算之间的差异。他们的结果表明,过去几十年的自然气候变化可能完全巧合地在某种程度上导致了较低的ECS估计。

他们利用气候模型的数据检验了从工具方法获得的结果。由于单个气候模型具有可直接测量的气候敏感性,这为历史记录如何准确评估ECS提供了一个测试。他们发现,从历史模拟推断的平均ECS只有2.3C,明显低于所有模式的实际平均ECS 3.1C。

当使用由实际观察到的海表面温度约束的模型的变体时,它们发现了1.8℃的甚至下隐含的EC。他们建议这意味着“最近几十年的特定的内部变异性提供了对ECS的异常低估”。他们指出,这似乎主要是由之驱动的云量的年代际变化在热带地区。然而,热带地区的云量不一定能预测未来的气候变化,导致基于仪器的ECS估算值偏低的模式可能是由自然变率驱动的。

DDW64M raiatea的视图与空气与云。法国波利尼西亚

2013年,法属波利尼西亚,从云层中俯瞰拉亚蒂。图片来源:Dennis Frates/Alamy Stock Photo。

约束模型的挑战

气候模型提供广泛的气候敏感性估算。的CMIP5型号在这方面拥有最近的IPCC报告ECS值为每倍2.1C至4.7C,平均灵敏度为3.1C。

然而,并非所有模型都是一样的。在匹配历史温度和其他气候变量方面,有些人比其他人表现得更好。一种被称为“紧急约束”的想法,旨在仅使用表现最佳的模型来缩小(“约束”)模型敏感性估计。

这已经以多种不同的方式完成。例如,低空云覆盖与气候敏感性密切相关。具有云的模型,更紧密地匹配观察显示3C和4.8C之间的ECS - 根据模型范围的高端 -2014年纸本质上史蒂夫希伍德教授和同事。

同样,第二部备受瞩目的《自然》用过的卫星观察地球发射了多少能量作为“必威体育在线注册紧急约束”。他们发现模型最佳匹配观察显示3C至4.2C的EC。

相反,最好地再现观测到的温度变化的模型显示下部ECS据此,2.2C至3.4C2018纸彼得·考克斯教授及其同事的研究也发表在《自然》杂志上。

这种缺乏一致性意味着在所有碳简短检查的研究中,使用受约束模型的研究具有几乎与使用所有气候模型的估计相同的敏感性。必威手机官网一个原因是不同的模型良好符合不同类型的观察。例如,那些最佳建模云与擅长再现温度变异性的最佳建模云不同。

这是可能的争论,其中一些研究或限制更引人注目或者比其他人更真实。这是一个非常活跃的研究领域。就目前而言,认为紧急约束决定性地显示出灵敏度比之前认为的低或高可能还为时过早。

然而,这些研究确实具有一致的发现,这是气候敏感度小于2C的非常不可能。

美国宇航局地球观测卫星(JPSS)上的云与地球辐射能系必威体育在线注册统(CERES) FM6仪器

云层和地球的辐射能量系统(CERES)FM6仪器乘坐N必威体育在线注册ASA接地卫星,JPSS。信用:NASA / GSFC / JPL / LARC,MISR科biwei6868学团队。

缩小范围?

尽管对平衡气候敏感性的最佳估计在近30年里一直顽固地保持在每翻一番1.5至4.5摄氏度之间,但在过去两年里发生了很多事情,让我们更好地理解可能的ECS值。

一,新一代气候模型 -CMIP6.的一些模型的灵敏度处于IPCC标准范围的高端。约35%的新车型ECS值高于4.5C, 18%的新车型ECS值高于5C。然而,一些最近的研究提出,非常高的灵敏度模型的子集倾向于再现历史气温的相对较差 - 这表明模型更加符合1.5℃至4.5℃的范围可能更可靠的未来变暖预测。

与此同时,最近完成了一个大规模的多年项目,以更好地估计气候敏感度。它将独立的证据与物理过程,历史温度和古气候数据相结合,以将ECS的可能范围缩小到2.6C和4.1C之间。他们发现即使三行证据中的一个完全被排除在外,该范围仅扩展到2.3C至4.5C。

下面的图表显示了这项新研究的可能的ECS范围(黑色框),与AR5(灰色)以及第五(蓝色)和第六(橙色)的全部估计范围进行比较。耦合型号互通项目(生产商)。(CMIP5模式的预测被输入AR5,而CMIP6将支持即将到来的预测第六次评估报告AR6)。

这些冲突的ECS集合估计为即将到来的IPCC第6次评估报告的作者提出了一些困境。虽然过去的报告通常在IPCC的可能在IPCC可能的不确定性范围内具有良好的温度模型,但这同样可能是不正确的。

敏感有关系吗?

气候敏感性是一个重要的科学不确定性,缩小范围可能产生重大后果。一经济研究通过克里斯博士希望在剑桥大学建议,减半的价值可能在万亿美元中,因为它将允许更好地确定排放量和排放量的速度。

然而,世界仍然需要脱碳来实现上述目标巴黎协定,即使敏感性更好地理解或甚至在当前估计的低端。据此,ECS越来越近2℃的EC将延长十年左右的净零排放的截止日期。一项研究由iiasa的博士Joeri Rogelj和同事。

不确定性也削减了两种方式;今天发表了许多新的研究表明,在低端时,敏感度可能位于1.5℃的高端至4.5c范围内。Knutti和同事气候敏感性的不确定性不应被视为当前行动的障碍。德斯勒告诉《碳简报》:必威手机官网

“除非气候敏感性超出政府间气候变化专门委员会的范围,否则我认为对该范围的改进不会对我们从政策角度应该做的事情产生巨大影响。我们应该尽可能快地减少排放,但要慢到不会对经济造成太大破坏。”

最终,世界在2100年的世界将在2100人中有多温暖,而不是在大气中排放到大气中的二氧化碳和其他温室气体的数量而不是气候敏感性的精确值。

来自这个故事的Sharelines
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