第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (3): 758-767   PDF    
地球系统模式CESM1.0对太阳辐射和温室气体的敏感性差异研究
王志远1 , 刘健①,②,③ , 王晓青 , 刘斌     
(①. 虚拟地理环境教育部重点实验室, 江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点, 南京师范大学地理科学学院, 南京 210023;
②. 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室, 南京师范大学数学科学学院, 南京 210023;
③. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023)
摘要: 利用通用地球系统模式CESM 1.0的全强迫试验和单因子敏感性试验结果, 初步探讨了CESM模拟的地表气温、降水率对太阳辐射和温室气体的敏感性差异, 以便更好地认识自然和人为因子对全球气候变化的贡献。结果表明: 地球系统模式CESM 1.0对温室气体变化的敏感性比对太阳辐射的敏感性高, 温室气体含量变化引起相当于1W/m2的辐射强迫增加会导致全球平均温度上升0.51℃, 而太阳辐射变化1W/m2时全球平均温度仅上升0.27℃; 在太阳辐射单因子敏感性试验中, 地表气温每升高1℃降水量增加2.91% , 要高于温室气体单因子敏感性试验的增量2.22% 。另外, 自然和人为因子所导致的地表气温空间变化特征也不相同, 在太阳活动影响下, 气温首先在北欧区域明显升高, 赤道西太平洋暖池区域随着总太阳辐射量的增加而明显变暖, 但在白令海峡和格陵兰岛区域则出现明显降温; 而在温室气体影响下, 地表气温则在北半球高纬区域显著增加, 赤道东太平洋区域随着温室气体浓度的增加呈现出类似 El Niño 的分布型态。
主题词地球系统模式     太阳辐射     温室气体     敏感性试验     气候模拟    
中图分类号     P467,P534.63+2,                    文献标识码    A

1 引言

自然和人为因子对全球气候的影响一直是气候变化研究的热点和难点问题。多数研究结果指出[1],人类活动是近百年来全球增暖的主要原因。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)的国际气候研究小组亦得出人类活动是导致现代全球气候增暖的主要原因的结论[2]。通过对参与第三阶段国际古气候模拟比较计划(PMIP3)的多模式模拟结果进行分析也发现[35],温室气体浓度激增是近百年来地表气温上升及降水异常变化的最主要原因之一。然而,古气候学家们对气候自然变率的认识更为深刻,地质时期的冰期-间冰期旋回表明自然外强迫条件的变化对全球气候具有重要影响[68]。重建资料显示,在晚更新世及全新世中期等自然暖期条件下,中国区域地表气温比现代高2~4℃[9, 10],因而有学者怀疑气候模式是否对温室气体浓度变化的响应过于敏感[11]。但由于高分辨率的古气候代用资料较少,难以满足研究自然暖期形成过程的需要; 而现代器测资料的长度则较短,只能给出现代暖期气候的变化情景,并不能使我们定量认识自然和人类活动对现代暖期气候形成的贡献。因此,为了进一步理解现代暖期的成因机制,历史时期的气候变化研究已成为全球变化所关注的核心内容之一。

近些年来,随着较高分辨率的历史气候变化的外强迫资料(太阳辐射、 温室气体、 火山活动等)的发表[1216],过去千年的气候变化研究已取得丰硕成果。学者们利用气候重建及气候模拟等手段分析了过去千年气候变化的成因机制[1720],并探讨了自然与人为外强迫因子对气候变化的影响。研究发现,有效太阳辐射(太阳辐射+火山活动)是影响全球地表气温和季风降水多年代-百年际尺度变化的最主要因素[2022]。亦有学者通过多种代用指标综合分析发现,太阳辐射虽然为全球温度百年际尺度变化的主导因素,但其在区域尺度上与气候变化的相关性很低[23]。Schurer等[24]通过对比分析过去千年强太阳辐射全强迫试验和弱太阳辐射全强迫试验结果,并与重建资料相比较,发现太阳辐射变化对过去千年气候变化的影响较小。此外IPCC AR5集成分析了多模式的千年模拟结果,亦认为太阳辐射对过去千年气候变化影响较小,并坚信温室气体浓度的不断上升是导致现代全球变暖的最主要原因[2]。其他研究亦确认温室气体对现代增暖有着不可替代的作用[25, 26]。然而,也有学者认为,与其他驱动因子相比,温室气体加倍对增温的贡献并不显著[27]。观测资料显示,1940~1975A.D. 全球温室气体排放量约增加两倍,而同期全球平均气温却下降0.1℃; 同样近15年来出现的全球“增温停滞”现象,亦有悖于温室气体浓度增加而导致全球气温迅速上升的认识[2],故有学者认为当前过分关注温室效应而忽略了气候系统内部的年代际变率[2831]。总之,对于自然和人为因子对全球气候变化影响的认识还存在较大争议,气候系统对太阳辐射和温室气体两种外强迫因子的敏感性究竟有多大差异,至今尚缺乏研究。

历史时期的气候模拟试验对于认识全球气候系统对太阳辐射和温室气体的敏感性起着至关重要的作用。周天军等[32]利用全球耦合模式FGOALS的过去千年模拟结果探讨了3个历史特征时期(中世纪暖期、 小冰期和现代暖期)气候的异同点; 肖栋等[33]使用中等复杂程度的UVic地球系统模式的过去千年模拟结果对中国东部气候变化进行了分析,并对主要外强迫因子对过去千年特征时期气候态变化的贡献进行了讨论; Liu等[34]依据ECHO-G的过去千年模拟结果,研究了不同暖期的全球降水变化规律,阐明了有效太阳辐射和温室气体对过去千年特征暖期的影响机制差异。然而上述研究主要基于多因子共同驱动的全强迫模拟试验结果,难以区分不同强迫因子对气候变化的贡献份额,而且对自然与人为外强迫因子对气候要素(地表气温、 降水率)空间变化特征的影响也较少关注。

鉴于此,本文利用通用地球系统模式的过去2000年太阳辐射敏感性模拟试验和温室气体敏感性模拟试验结果进行对比分析,探讨两种外强迫因子对气候要素(地表气温、 降水率)的时空变化特征的影响,以及全球气候系统对自然因子(太阳辐射)和人类活动(温室气体)的敏感性差异。

2 模式与可靠性验证 2.1 模式与试验设计

CESM(Community Earth System Model)是由美国国家大气研究中心(NCAR)于2010年7月推出的通用地球系统模式。它是一个全球气-海-陆-冰全耦合的地球系统模式,由大气、 海洋、 陆面、 陆冰和海冰5个子模式通过“中央耦合器”耦合而成,而陆冰模式则单向耦合到陆面模式上,模式的详细物理过程及性能可参考相关文献[3538]。本研究所使用的CESM模式(1.0版本)中大气模式和陆面模式在水平方向上采用T31波截断,即全球范围内径向48格点,纬向96格点,相当于水平分辨率约 3.75°×3.75°。 大气模式的垂直方向采用混合σ坐标,共分为26层。CESM是在通用气候系统模式(CCSM)的基础上发展起来的,主要对CCSM模式中的物理过程进行了改进,增加了生物地球化学循环过程,对各种参数化方案也进行了改进完善,因此CESM能够更全面地描述地球气候系统,是研究地球气候过去、 现在和未来变化的有力工具。

本研究主要利用CESM的3个长达2000年的瞬变积分模拟试验(全强迫试验、 太阳辐射单因子敏感性试验和温室气体单因子敏感性试验)结果进行分析。这3个试验全都是以控制试验最后一年的结果为初始场进行积分,其中全强迫试验所使用的外强迫条件包括: 地球轨道参数、 太阳辐射、 火山活动、 温室气体和土地利用/土地覆盖(详见表 1); 太阳辐射单因子敏感性试验和温室气体单因子敏感性试验则是分别在太阳辐射和温室气体变化驱动下进行的瞬变积分模拟试验(图 1),其他外强迫固定采用1850年的值。

表 1 过去2000年气候模拟试验设计 Table 1 Experimental design for the climatic simulation over the past 2000 years
图 1 过去2000年模拟试验采用的外强迫序列 Fig. 1 The external forcing series used in the climatic simulation experiments over the past 2000 years.

2.2 模式验证

CESM已广泛应用于古气候研究中,其模拟性能已得到同行认可[3, 40]; 其用于过去2000年气候模拟的性能也已得到验证[4143],此处不再赘述。本文主要验证CESM对全球地表气温和降水率的模拟能力。其中用于验证模式性能的观测/再分析资料为:美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction Reanalysis 2,简称NCEP2)的地表气温资料; 全球降水气候学计划(Global Precipitation Climatology Project,简称GPCP)的降水资料,详见表 2

表 2 用于验证模式性能的观测/再分析资料 Table 2 Observation/reanalysis data used to verify the performance of CESM

图 2为CESM全强迫试验结果与观测/再分析资料的对比。如图 2a所示,CESM模拟的多年平均地表气温(1979~2000年平均)的空间分布与NCEP2地表气温1979~2000多年平均非常相似,空间相关系数达0.99,均方根误差为2.92℃,由于模式在高纬区域地表气温的模拟与观测资料偏差较大,导致全球整体的均方根误差较大。模式较好地模拟了全球地表气温从低纬至高纬逐渐降低的空间分布特征,但模拟的数值在大部分热带海洋地区较观测值偏低; 如图 2b所示,CESM模拟的多年平均降水率的空间分布形态与实际观测资料GPCP较为相似,空间相关系数为0.86,均方根误差为0.68mm/天。CESM对赤道太平洋地区降水的模拟较好地刻画出了热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,简称ITCZ)的位置,且其 “双ITCZ”问题并不像其他气候系统模式那样明显。但模拟与观测的降水率也存在一定的偏差: 在非洲中部、 热带印度洋东部区域降水模拟偏强,而在大西洋西北部、 太平洋西北部降水稍弱。此外,CESM模式依然存在青藏高原东部边缘区域的虚假降水中心,这是当今所有先进的气候模式普遍存在的问题[46, 47]。综上所述,CESM模式较好地模拟了大尺度区域气候特征,对大多数温度和降水中心刻画较好,对全球气候态的模拟能力较强,可用于本文的研究。

图 2 模拟与观测的地表气温(a, b)(℃)和降水率(c, d)(mm/天)的多年平均(1970~2000年)空间分布 Fig. 2 Spatial pattern of climatological mean(1970~2000)of surface air temperature(a, b)(℃) and precipitation(c, d)(mm/day) for the simulation and observation

3 结果分析

图 3为全强迫试验、 太阳辐射单因子敏感性试验、 温室气体单因子敏感性试验的全球平均地表气温和降水率的31年滑动(代表多年代-百年际尺度变化)距平序列(相对于1~2000年平均值)。由图 3可见,上述3个试验的过去2000年全球平均地表气温与降水率在多年代-百年际尺度上的变化趋势基本一致,3个试验的温度与降水的相关系数分别为0.98、 0.99和0.97,均达到99%的置信度。在全强迫试验中,根据其地表气温序列的距平值大于或小于0可分为3个暖期和两个冷期,并且近百年来的增温幅度为过去2000年之最,这与Lamb[48]提出的过去2000年地表温度的冷暖变化较为相似,亦与Ljungqvist[49]重建的北半球温度结果(简称 Lj10)较为一致,如图 4所示。两者之间的相关系数为0.57,达到了99%的置信度。说明CESM模拟的过去2000年气候变化较为合理。此外,在多年代-百年际尺度上,太阳辐射单因子敏感性试验与全强迫试验结果较为一致,两个试验的地表气温的相关系数为0.79,降水率的相关系数为0.81,说明太阳辐射变化是影响过去2000年多年代-百年际尺度全球平均地表气温与降水率的主要因素之一[21]。然而,在太阳辐射单因子敏感性试验中,近百年来其地表气温与降水率虽然有所增加,但其变化幅度远未达到全强迫试验近百年来的地表气温与降水率的增幅(图 3),说明在CESM试验中,虽然太阳辐射对近百年来的温度变化有所贡献,但并未起到决定性作用。温室气体单因子敏感性试验的结果显示(见图 3),虽然地表气温和降水率在1850年工业革命之前有所波动,但变化幅度较小,说明温室气体单因子对工业革命前较大的气候波动的贡献较弱; 但在工业革命之后,随着温室气体浓度的增加,全球平均地表气温与降水率都出现明显升高,与全强迫试验结果十分接近,说明近百年来的温度升高与温室气体浓度的激增密不可分。那么气候要素(地表气温、 降水率)对太阳辐射和温室气体的敏感性是否存在差异呢?

图 3 过去2000年全球平均地表气温(a, ℃)和降水率(b, mm/天)的距平(相对于1~2000年平均值)的31年滑动序列 Fig. 3 Time series of global mean temperature(a, ℃)and precipitation(b, mm/day) anomaly(relative to 1~2000A.D., 31 year running mean)over the past 2000 years.

图 4 过去2000年模拟与重建的全球平均地表气温距平时间序列(相对于1851~1950年平均) Fig. 4 Time series of global mean temperature anomaly(℃, relative to 1851~1950A.D.)between simulation and reconstruction over the past 2000 years.

3.1 敏感性差异对比

本文利用过去2000年太阳辐射和温室气体两个单因子敏感性试验结果来分析CESM模拟的地表气温和降水率对太阳辐射和温室气体变化的敏感性差异。为便于比较,首先将温室气体浓度单位转换为辐射通量单位,其中CO2浓度转换为辐射通量是根据Myhre等[50]的方法进行近似转换,其他温室气体则近似为CO2浓度的20%进行估算(即根据IPCC2007年估计总温室气体浓度为445ppm,其中CO2浓度为380ppm); 并将总太阳辐射量转化为地面入射太阳辐射量,即考虑了地球的横截面积(除以4)以及行星反照率(乘以常数0.7)[51]。通过对过去2000年太阳辐射和温室气体辐射强迫序列与其相应的各自单因子敏感性试验的地表平均气温(图 5a)进行回归分析可以发现(序列经过31年滑动平均处理以突出多年代-百年尺度信号),CESM模拟的多年代-百年际全球平均地表气温对温室气体外强迫变化的响应明显要强于对太阳辐射外强迫变化的响应,其回归斜率分别为0.51℃/W/m2和0.27℃/W/m2; 同样对过去2000年太阳辐射和温室气体强迫序列与其相应的单因子敏感性试验的全球平均降水率进行回归分析(图 5b),亦发现CESM模拟的多年代-百年际全球平均降水率相对于1~2000年平均值的比率对温室气体外强迫变化的响应要强于对太阳辐射外强迫的响应,其回归斜率分别为0.99%/W/m2和0.80%/W/m2。因此,CESM模拟的全球气候对温室气体浓度变化的敏感性要强于对太阳辐射变化的敏感性,说明CESM地球系统模式对温室气体变化的敏感性较高。

通过对上述两个试验的降水率与地表气温的线性回归可以发现(图 5c),在太阳辐射单因子敏感性试验中,地表气温每升高1℃降水量增加21%(0.078mm/天/℃),温室气体单因子敏感性试验中地表气温每升高1℃降水量增加2.22%(0.052mm/天/℃),这与Liu等[34]利用ECHO-G海气耦合气候模式过去千年模拟试验结果发现的现代暖期(人为因子起主导作用)全球平均降水率相对于中世纪暖期(自然因子起主导作用)降水率增加较少的结论相一致,说明这种敏感性差异并非CESM模式所特有。

图 5 敏感性试验中全球平均地表气温(a, ℃)、 降水率(b, mm/天)与辐射强迫(W/m2)的散点图, 以及降水率与地表气温的散点图(c) Fig. 5 Scatter plots of the global mean radiative forcing versus the global mean temperature(a, ℃)and the global mean precipitation(b, mm/day), as well as the global mean temperature versus the global mean precipitation(c).

3.2 空间演变特征对比

既然CESM的模拟结果表明地表气温和降水率对温室气体变化更为敏感,那么在太阳辐射和温室气体的影响下全球气候的空间演变特征有何差异?本文利用太阳辐射和温室气体两个单因子敏感性试验结果对此进行了分析。分别选取这两个试验中增温幅度相当的50年进行对比分析,即太阳辐射单因子敏感性试验选取1705~1755年,温室气体单因子敏感性试验选取1928~1978年,通过分别计算两个时段的趋势变化,再用趋势值的最后一年减少第一年的数值得到两个时段全球平均地表气温50年的增量均约为0.36℃,以探讨在相同气温增量的情况下,太阳辐射和温室气体单因子对地表气温的空间演变特征的影响。由于线性趋势变化并不能很好地反映外强迫增强时的空间变化过程,因此利用多维集合经验模态分解法(Multidimensional Ensemble Empirical Mode Decomposition,简称MEEMD)对两个试验所选取的特征时段进行分解,以得到空间上每个点的EEMD趋势项变化。EEMD分解是一种全新的处理非线性、 非平稳时间序列的方法,是由经验模态分解(EMD)和希尔伯特谱分析(HSA)组成,其不仅可以消除数据中存在的噪音对信号提取的影响,而且不需要任何的先验假设,非常适合非线性、 非平稳的信号处理。EEMD方法在地学上已有较普遍的应用[5256],本文针对两个单因子敏感性试验所选取的这两个时段的地表气温变化,设置集合扰动白噪音与原始信号的信噪比为0.25,集合样本为100,经过长时间并行计算后,获得其累积变化结果。由图 6可见,在太阳辐射单因子敏感性试验中(图 6a6e),气温首先在高纬大陆出现明显变化信号,在北欧区域气温明显升高,而在白令海峡和格陵兰岛区域则出现明显降温; 随着太阳辐射的增强,在北半球中纬度大陆、 西北太平洋、 澳大利亚地区出现明显升温,而后随着太阳辐射的进一步增加全球出现更大范围的升温现象,赤道西太平洋暖池区域的增温尤为明显,但在白令海峡和格陵兰岛区域的降温则更加明显; 而在温室气体单因子敏感性试验中,随着温室气体浓度的增加,地表气温的变化在整个北半球高纬区域均显著增加(图 6f6j),而后开始由北向南逐渐加强,进而扩展为全球性的显著升温现象,此外,温室气体浓度变化使赤道东太平洋产生明显升温,呈现出类似于El Niño的分布格局。因此,太阳辐射和温室气体对气温空间变化的影响差异在高纬及热带太平洋区域最为明显,从而引起热带沃克环流及中高纬大气环流发生改变,进而对全球降水变化产生差异性影响(图略)。这与Liu等[34]的研究结果是一致的,即在自然外强迫作用下,“海洋恒温机制”占主导,从而导致赤道太平洋地区的类-La Niña模态,使沃克环流增强,季风降水增加,全球降水量相应增加; 而在温室气体外强迫作用下,“大气稳定机制”占主导,导致热带太平洋地区出现类-El Niño模态,使得沃克环流减弱,从而导致全球降水增量减小。这说明全球平均气温和降水率的时空变化对不同外强迫因子的响应存在敏感性和差异性。

图 6 敏感性试验中地表气温(℃)的每10年累积变化 Fig. 6 Spatial patterns of every 10 year averaged cumulative changes of the surface air temperature(℃).

4 结论与讨论

本文基于CESM的过去2000年气候变化全强迫试验、 太阳辐射单因子敏感性试验和温室气体单因子敏感性试验结果,在验证模式模拟性能的基础上,探讨了气候要素(地表气温、 降水率)对太阳辐射和温室气体外强迫的敏感性差异,结论如下:

第一,CESM模拟的多年代-百年际全球平均地表气温和降水率对温室气体外强迫变化的响应明显要强于对太阳辐射外强迫变化的响应,说明CESM地球系统模式对温室气体变化的敏感性比对太阳辐射的敏感性高。

第二,在太阳辐射单因子敏感性试验中地表气温每升高1℃降水量增加2.91%(0.078mm/天/℃),而温室气体单因子敏感性试验中地表气温每升高1℃降水量增加2.22%(0.052mm/天/℃)。

第三,太阳辐射和温室气体作用下全球气候的空间演变特征存在显著差异: 在太阳活动影响下,气温首先在北欧区域明显升高,而在白令海峡和格陵兰岛区域则出现明显的降温,随着太阳辐射的加强,全球出现更大范围的升温,赤道西太平洋暖池区域的增温尤为明显,但在白令海峡和格陵兰岛区域的降温则更加显著; 而在温室气体影响下,地表气温的变化则在北半球高纬区域显著增加,而后开始由北向南逐渐加强,进而扩展为全球显著升温现象,在赤道东太平洋区域呈现类似El Niño的分布型态。

模式的敏感性决定着模式对特定外强迫的响应强度,与当前气候模拟和预估中的不确定性问题密切相关。为了定量化气候模式对温室气体强迫的响应强度,IPCC AR5中提出了基于平衡态的气候敏感度(Equilibrium climate sensitivity),即利用加倍的CO2浓度驱动模式,使之运行达到新的平衡态,提取模拟的全球平均地表气温的变化值与温室气体有效辐射强迫进行线性回归,计算获得了CMIP5中多个模式的气候敏感度参数,其范围在0.6~1.6℃/W/m2之间[2]。本文CESM温室气体敏感性试验模拟的多年代-百年际尺度全球平均地表气温对温室气体外强迫的响应为0.51℃/W/m2,其敏感度略低于CMIP5中多个模式的气候敏感度,其原因还有待进一步研究。

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Divergent sensitivity of Earth System Model CESM 1.0 to solar radiation versus greenhouse gases
Wang Zhiyuan1, Liu Jian①,②,③, Wang Xiaoqing, Liu Bin     
(①. Key Laboratory for Virtual Geographic Environment, Ministry of Education; State Key Laboratory of Geographical Environment Evolution, Jiangsu Provincial Cultivation Base; School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023;
②. Jiangsu Provincial Key Laboratory for Numerical Simulation of Large Scale Complex Systems, School of Mathematical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023;
③. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023)

Abstract

The global climate changes induced by natural and anthropogenic forcings over the past 2000 years has been a hot and difficult issue at the frontier of climate change research. Due to the short period of the observation and the low spatial and temporal resolution of reconstruction for the past 2000 years, Earth system modeling became a useful tool. The sensitivity of Earth system model to solar radiation versus greenhouse gases is the key of exploring divergent global climate changes induced by natural versus anthropogenic forcing, but has remained less explored so far. In this study, the Community Earth System Model(CESM 1.0)is used to do historical climate modeling for the past 2000 years. Three 2000-year simulations have been completed, namely the all forcing experiment, the solar radiation sensitivity experiment and the greenhouse gas sensitivity experiment. Based on the three experiments, we examined the sensitivity of CESM to solar radiation versus greenhouse gases preliminary. Firstly, we compared the climatology of the global temperature and the precipitation derived from the all forcing experiment to the reanalysis data, in order to verify the model performance. The characteristics of the temperature and precipitation simulated by the CESM 1.0 show similarity to the reanalysis data. The outputs of surface air temperature and precipitation from the solar radiation sensitivity experiment and greenhouse gas sensitivity experiment are compared to discuss the different sensitivity of CESM to solar radiation versus greenhouse gases. The results show that the sensitivity of CESM to greenhouse gases is larger than that to solar radiation. From the solar radiation sensitivity experiment, the global precipitation would increase 2.91% (0.078mm/day/℃) for 1℃ temperature increase, which is higher than 2.22% (0.052mm/day/℃)increase in the greenhouse gas sensitivity experiment. The spatial evolution characteristics induced by solar radiation and greenhouse gases are also different. Under the influence of solar activity, the temperature increases significantly in the northern Europe, but obvious cooling is shown in Greenland and Bering Strait. The temperature in the warm pool of equatorial western Pacific becomes higher significantly with the increase of solar radiation. However, under the influence of greenhouse gases, the temperature increases obviously in high latitude of the Northern Hemisphere. The warming strengthens gradually from north to south and an El Niño -like pattern appears in the eastern equatorial Pacific as the increase of greenhouse gas concentrations and then extended to a global warming pattern.
Key words: Earth System Model     solar radiation     greenhouse gas     sensitivity experiment     climate simulation