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纳米比亚,有海市蜃楼的死谷树。
纳米比亚,有海市蜃楼的死谷树。 资料来源:约翰·金/阿拉米·斯托克照片。
客人的帖子
2020年9月1日11点

嘉宾帖:为什么陆地比海洋变暖更快?

迈克尔·伯恩博士

迈克尔·伯恩博士

01.09.2020 |11:00 AM
客人的帖子 嘉宾帖:为什么陆地比海洋变暖更快?

去年,全球气温下降了0.95C暖和比20世纪的平均水平。人类活动负责大约百分之百的变暖

深入了解这些数字表明地球的陆地地区是1.43C暖和高于平均水平,而海洋气温升高0.77摄氏度。这就是最近几十年世界大陆变暖的速度比海洋变暖的速度更快的证据。

陆地和海洋温度变化之间的这种对比将强烈地塑造未来全球变暖的格局,并对人类具有重要影响。毕竟,我们是一个更喜欢生活在陆地上的物种。

但是,是什么导致了这种变暖的对比呢?这是一个看似简单的问题,但其答案却被误解了很多。在这篇客座文章中,我概述了近年来才发展起来的陆地-海洋变暖对比的有力定量理论。

热力容量

简单的物理学表明,当你向气候系统中注入更多热量时,陆地会比海洋变暖得更快。这是因为土地面积较小。”热力容量,这意味着它需要更少的热量来提高温度。

下面的图表显示了根据观测记录,地球表面(黄线)的升温速度比海洋(深蓝色)更快。

美国国家海洋和大气管理局的地表温度记录显示,陆地变暖加剧。图表显示了陆地(黄线),海洋(深蓝色)和陆地和海洋组合(浅蓝色)的年平均温度。所有数据均与1901-2000年相关。
美国国家海洋和大气管理局的地表温度记录显示,陆地变暖加剧。图表显示了陆地(黄线),海洋(深蓝色)和陆地和海洋组合(浅蓝色)的年平均温度。所有数据均与1901-2000年相关。数据来自美国国家海洋和大气管理局;图表由Carbon必威手机官网 Brief使用Highcharts

这种效应也可以在季节气候系统的不同部分看到。例如,在北半球春季,太阳从赤道向北移动,其能量相对于周围的海洋迅速加热印度。必威体育在线注册这种加热的对比在驱动南亚季风的风向逆转中起着关键作用。

土地的小热量也有助于解释为什么一些大陆地区,如俄罗斯和美国中部,夏天可以在冬天变得非常寒冷。这被称为“大陆”。

考虑到热容量在季节性的陆地-海洋变暖对比中的核心作用,当试图解释气候变化下大陆比海洋变暖的原因时,热容量是一个自然的起点。但是这个解释有一个问题。

变暖的对比

在一个具有里程碑意义的1991年的论文,气象学家Syukuro Manabe他的同事使用了早期气候模型比较瞬态气候系统对二氧化碳逐渐增加的长期响应平衡响应。

换句话说,他们是在比较二氧化碳与气候同时增加的情况,而一旦二氧化碳停止上升,气候最终稳定在新的更温暖的状态。

如果陆地和海洋之间的热容量差异是控制变暖对比的决定性因素,那么一旦海洋有足够的时间变暖,这种对比就会在平衡状态下消失。

但这不是真部发现的。相反,他发现陆地与海洋变暖的比率(现在被称为“放大系数)在瞬态和平衡实验中是相似的。

这是陆-海变暖对比的证据——下面这张本世纪末预测变暖的地图突出了这一点——是对气候变化的根本反应,不受热容的控制。如果热容量不能解释气候变化中土地变暖的放大,那么什么可以呢?

相对于历史时期(1980-2000年)的21世纪末(2080-2100年)近地表温度变化的气候模式预测。GFDL-CM4模型在高排放SSP58.5情景下的数据;Myrne的图表。

相对于历史时期(1980-2000年)的21世纪末(2080-2100年)近地表温度变化的气候模式预测。数据来源于GFDL-CM4模型下化石燃料,高排放SSP58.5情景;Myrne的图表。

除了热容

第一种解释最初是由真部贤部提出的,它调用了表面能量平衡。必威体育在线注册这描述了地球表面和大气之间的能量交换。必威体育在线注册

当大气中的二氧化碳浓度增加时,进入地球表面的辐射增加,导致温度上升。这是因为地球表面辐射的大量热量被大气中的温室气体捕获了。

但是二氧化碳引起的地表变暖的程度取决于局部因素冷却的平衡程度——即蒸发引起的冷却和地表与上方空气之间干热交换导致的冷却。(由后者引起的大气变暖也倾向于抑制云的形成,因此,会导致进一步干燥陆地表面。)

海洋-有无限的水蒸发-可以有效地在变暖的气候中冷却自己蒸发越来越多的水,只需要一个小的温度上升。另一方面,大陆通常具有有限的水分可利用性,因此蒸发受到限制。

这意味着,在全球变暖的气候下,更多进入地表的额外辐射需要通过干热和长波辐射冷却的交换而不是消散土壤水分蒸发蒸腾损失总量。与自由蒸发的海洋相比,这意味着表面温度的较大增加。

提出了“地表能量平衡”理论来必威体育在线注册解释陆-海变暖对比最近的研究

这种对大陆变暖放大的解释是直观的,并暗示了陆地“干燥”在决定温度变化方面的关键作用。但这需要实实在在的数据来支持。

地表能量平衡理论的一个问题是,它依赖于陆地表面的属性必威体育在线注册——这些属性是多样的、复杂的,而且众所周知地难以模拟——以便准确地表示气候模型。具体来说,地表能量平衡理论的关键成分——蒸发蒸腾如何应对气候变化——需要对区域土壤湿度和植被以及这些特性本身如何随气候变化的知识进行量化。必威体育在线注册一项艰巨的任务。

此外,上覆大气中的因素也很重要:降雨和风会如何变化?无数影响陆地表面能量平衡的过程意味着,使用这一框架作为陆海变暖对比定量理论的基础是具有挑战性必威体育在线注册的。虽然这个观点在概念上是有用的,但它提供了一个不完整的理解,推动了变暖对比的物理。

一个新的想法

而不是表面能量平衡,必威体育在线注册大气动力学- 大气的运动及其热力学状态 - 基于对过去十年开发的土地温暖对比的新了解。

2008年的一篇论文,Manoj教授Joshi——然后在英国气象局哈德利中心雷丁大学现在在东安格利亚大学- 是第一个指出大气中的动态过程在陆地和海洋区域的湿度下连接温度和湿度。

具体而言,他表明流逝速率 - 高度的温度降低 - 随着气候变暖而不是土地减少。这是因为海洋上方的空气在任何时刻,通常比在陆上的空气中保持更多的水蒸气。

这些对比流逝速率变化解释了变暖的对比:落地率的较弱降低意味着相对于海洋的陆地表面温度较大。

这种机制不一定是直观的,而是依赖于大气动力学中成熟的过程。不同的直减率变化是现在接受作为土地上海温暖对比的基本驱动力,特别是在低纬度(高达约40n和40s)。在地区放大升温包括地中海也可以用同样的故障率机制来解释。

定量理论

在2008年的论文中,乔希引入了一种新的概念来理解陆地-海洋变暖的对比。但是,这个解释还是定性的。

在一起奥格尔曼教授保罗麻省理工学院,我意识到流逝率参数可以扩展并发展成定量理论。

关键的观点是尽管在陆地和海洋温度和湿度的变化是非常不同的,发现的大气动力学约束Joshi暗示特定组合的温度和湿度的变化——具体来说,一个包裹中包含的能量静止的空气,被称为数量必威体育在线注册潮湿的静态能量必威体育在线注册-近似相等。这一见解使我们得以推导出陆地温度变化的方程式,并将其发表2018年

我们的方程表明,陆地温度对气候变化的反应取决于两个因素:海洋变暖和今天气候下陆地的干燥程度。

解干燥的土地,它的温暖越多。该理论已经存在验证气候模型使用观测数据在过去的40年里。该理论解释了为什么土地变暖预计干旱的干旱亚热带地区的土地变暖将特别严重,并解释了为什么近几十年来土地的相对湿度一直在下降。

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这一理论对预测未来陆地温度的一个重要意义(不同的模型有很大的不同)的问题是,准确地对旱地进行建模是至关重要的在当前的气候下,但由于地表的复杂性,这在技术上很棘手。

不是很有名

这种对陆地-海洋变暖对比的新认识已经被大气动力学和气候动力学研究团体所接受。

但是,公平地说,在更广泛的气候科学和气候影响社区中,陆地-海洋变暖的对比是由干燥而不是热容的差异所驱动的,这仍然不是众所周知的。biwei6868

当然,它在公共领域并不广为人知。就该理论本身而言,一些研究人员发现,令人惊讶的是,陆地表面的复杂性可以归为一个单一的“干燥度”参数。

我还发现,像大陆气候这样复杂的系统的响应可以归结为一个简单的方程式,这让我感到惊讶和鼓舞。我主张在气候科学中开展更多这类概念性研究。biwei6868

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