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从英吉利海峡上空看到的积云。 资料来源:Malcolm Fairman / Alamy Stock Photo。
客人的帖子
2020年10月30日11:12

嘉宾帖子:云中的冰是如何使高“气候敏感性”变得可信的

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10.30.20
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30.10.2020 | 11:12am
客人的帖子 嘉宾帖子:云中的冰是如何使高“气候敏感性”变得可信的

最新气候模型的模拟表明地球的气候可能是更敏感的大气中二氧化碳的增加比以前认为的要多。

由于世界各地的科学家们进入他们的模型来调查为什么,我们的新学习 - 发表于自然地球科学biwei6868-表明云层构成的变化可能是一个关键因素。

我们的研究重点是同时包含水滴和冰晶的云。到目前为止,在不断变暖的气候中,云冰正逐渐被水取代——这种变化具有整体的降温效果。

但是如果没有云冰留下会发生什么呢?我们的气候模型模拟表明,我们随后会达到升温加速的状态。这个机制本身就足以使“气候敏感性”的高价值可信。

气候敏感性

准确的预测气候变化对决策者至关重要。为此,模拟的气候对温室气体的响应随着全球的不同而增加气候模型定期使用标准度量进行比较:平衡气候敏感性(ECS)。

ECS测量的是全球平均地表气温对大气中二氧化碳浓度翻倍的响应。或者,简单地说:二氧化碳浓度每增加一次,我们就会变暖多少。这个数字帮助我们估计如何实现气候目标——比如1.5摄氏度和2摄氏度的升温限制巴黎协定-会是。

几十年来,观测到的变暖证据、地球遥远的过去和气候模型都表明ECS可能下降在2.0-4.5摄氏度之间。但最新一代的气候模型表明,ECS可能更高。

第六次耦合模型相互比较项目,被称为CMIP6,是持续努力的最新迭代,用于协调和比较来自世界各地不同气候研究中心的模型模拟。

CMIP6模型表明,aECS估计范围更广比在CMIP5中(送入第五次评估报告政府间气候变化专门委员会2013-14)——许多人表示ECS 5度以上。在CMIP6中,ECS的这种大规模传播反过来又导致了21世纪预测温度的大规模传播。

但是,ECS的最高估计——以及它们所暗示的炎热的未来——可信吗?最近的学习有明确的改进吗云的模型表示作为CMIP6中ECS值更高的主导原因。但这些最新型号究竟发生了什么变化?

液体和冰

云有不同的类型和很大程度上不同的属性,比如它们的数量、高度以及它们是由水滴、冰还是两者的混合组成。

云的多样性直接影响它们对气候变暖的反应。

例如,科学家预计随着气候变暖,亚热带低云的数量将会减少。这将减少从该地区反射回太空的太阳辐射,并导致全球变暖。我们称之为“正反馈”——也就是说,在气候变暖的情况下,这些云发生了变化,从而进一步放大了最初的变暖。

虽然正云反馈一直是焦点广泛的研究并由理论,观察和模型模拟支持,它们只是故事的一部分。

在这里,云相组成开始发挥作用。原则上,云可以由液滴、冰晶或两者的混合物组成。最后一种云被称为“混合相”云,其温度介于0到-38摄氏度之间。这些云层中液滴与冰晶的比例直接与它们反射的阳光数量有关。

对于等量的水,液滴比冰晶更小,数量也更多。因此,液态云比冰云反射回太空的阳光更多。

为了理解这对未来气候的影响,让我们进行一个思想实验:在气候变暖的情况下,液滴的比例预计会随着温度的升高而增加,这将导致更多的阳光被云层反射,而地表会变冷。因此,这种云相反馈就是我们所说的负反馈:也就是说,它限制了最初的升温。

但是当没有冰留下,云已经全部是液体的时候会发生什么呢?

光学深度反馈

为了调查这一点,我们评估了来自150年模拟的云反馈使用版本2社区地球系统模型(CESM2),估计ECS高达5.3摄氏度。

我们的模拟确实表明,一个整体的正云反馈是高ECS的原因。但他们特别指出,正云反馈会随着时间的推移而放大。

要理解这一点,我们必须看看对云反馈的不同贡献。在我们的模拟中,云高度(21%)和云量(16%)的变化只能解释反馈变化的一小部分。主要原因是云层反射的阳光量的变化,也被称为云层的“光学深度”(63%)。

云光学深度主要受云水总量及其相的影响。我们能够将南海识别为最大变化对光学深度的地区。

在模拟的前十年,南大洋的光深度反馈是强负的。你可以通过上面地图上的深蓝色阴影看到这一点。这并不奇怪,因为已知南大洋有大量的混合相云。如果我们还记得我们早期的思想实验,云层中有大量的冰,随着温度升高而变成液体,从而增加了云层的光学深度,使表面变冷。

然而,在150年的模拟周期即将结束时(如图所示),负反馈在南大洋中几乎消失了。

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净光学深度反馈的空间分布(单位是瓦特每平方米每摄氏度开尔文),a)第一次,b)最后15年的150年的模拟之后,用CESM2增加了四倍的二氧化碳。阴影表示正反馈(红色)和负反馈(蓝色)。资料来源:Bjordal等(2020)。

为什么会这样呢?随着温度的升高,南大洋上空混合相云中越来越多的冰晶变成液体,直到云中几乎没有冰了。(在CESM2中,当全球平均地表气温上升到3-4摄氏度时,就会出现这种情况,但它高度依赖于模型。)没有了冰,负的云相反馈就会耗尽。

因此,整体的云反馈随着时间的推移变得越来越正,导致了一个高敏感性的气候状态。

进一步的测试

但我们在多大程度上可以相信这些模拟和模型本身?

首先,CESM2模拟表明,该模型可以很好地再现过去的气候。这是可能的,因为在适度升温的情况下,CESM2是一个中等敏感的模型,因此,它的历史模拟不会过热。

其次,我们表明,在我们的模拟中,南大洋的云水(液体和冰)的垂直轮廓与卫星观测一致。

尽管CESM2只是具有高ECS的模型的一个示例,但上述机制必须在现实和其他全球气候模型中运行。然而,效果的重要性取决于模型本身,首先将混合阶段云中模拟的冰是多少,以及南海海洋相对于全球平均水平的速度有多迅速。如上所述,CESM2正确地模拟了南海的混合相位云中的相对低的云冰。但是,它是众所周知与卫星观测相比,大多数气候模型模拟了过多的云冰,因此,与CESM2相比,它们保留负云相反馈的时间更长。

至于5C上方的气候敏感性是合理的,对该问题的完整答案需要进一步测试这些模型 - 例如,关于他们复制过去的气候状态的热门和较冷的程度比现在。但是,我们已经证明,对于这种模拟具有正确的云相起点是至关重要的 - 到目前为止,a大多数气候模型都没有

因此,如果没有冰留下,云已经全部是液体,会发生什么?要回答这个问题:这意味着气候系统失去了自然冷却反应。到那时,它将进入一个高敏感状态,这将使减缓全球变暖的步伐更加困难。

比约达尔,J.等人(2020)由于状态依赖云反馈,5C以上的平衡气候敏感性可信,《自然地球科学》,biwei6868doi: 10.1038 / s41561 - 020 - 00649 - 1 - y

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