[論文レビュー] Evaluation of CMIP models with IOMB: Rates of contemporary ocean carbon uptake linked with vertical temperature gradients and transport to the ocean interior

Weiwei Fu, J. Keith Moore+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2022

Marine and coastal ecosystems被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、IOMBベンチマーキングフレームワークを用いてCMIP5およびCMIP6地球システムモデルを評価し、両モデル世代とも現代の海洋炭素吸収量を低く見積もっていることが明らかになった—CMIP6では約15%低く（27.2 ± 2.2 Pg C 対 觀測値 32.0 ± 5.7 Pg C、1994–2007年）、このバイアスは垂直温度勾配の低く見積もられることと、表層から内部海洋への輸送が弱いことに強く関連しており、海洋の層密度構造と換気の誤差が炭素吸収のバイアスを引き起こしていることが示唆された。

ABSTRACT

The International Ocean Model Benchmarking (IOMB) software package is a new community resource used here to evaluate surface and upper ocean variables from CMIP5 and CMIP6 Earth System Models (ESMs) Our analysis reveals general improvement in the multi-model mean of CMIP6 compared to CMIP5 for most of the variables we examined including surface nutrients, temperature, and salinity. We find that both CMIP5 and CMIP6 ocean models underestimate anthropogenic carbon dioxide uptake after the 1970s. For the period of 1994 to 2007, the multi-model mean from CMIP6 yields a mean cumulative carbon uptake of 27.2 +-2.2 Pg C, which is about 15% lower than the 32.0+-5.7 Pg C estimate derived from two sets of observations. Negative biases in the change in anthropogenic carbon inventory exist in the northern North Atlantic and at mid-latitudes in the southern hemisphere (30-60°S). For the few models that provided simulations of chlorofluorocarbon (CFC), we demonstrate that regions with negative anthropogenic DIC biases coincide with regions that have a negative bias in CFC concentrations. This relationship suggests that underestimates of anthropogenic carbon storage in some models originates, in part, from weak transport between the surface and interior ocean. To examine the robustness of this attribution across the full suite of CMIP5 and CMIP6 models, we examined the vertical temperature gradient between 200 and 1000m as a metric for stratification and exchange between the surface and deeper waters. On a global scale across different models and different MIPs we find a linear relationship between the bias of vertical temperature gradients and the bias in anthropogenic carbon uptake, consistent with the hypothesis that model biases in the ocean carbon sink are related to biases in surface-to-interior transport.

研究の動機と目的

• IOMBベンチマーキングフレームワークを用いて、CMIP5およびCMIP6地球システムモデルの現代の海洋炭素吸収量のシミュレーション性能を評価すること。
• モデル間で系統的なバイアスが海洋炭素インベントリに及ぼす影響およびその空間的パターンを同定すること。
• 海洋換気（垂直温度勾配を介して）のバイアスと炭素吸収のバイアスとの関連を調査すること。
• モデルにおけるCFC濃度の低く見積もられることと、換気のトレーサーとしての anthropogenic DIC のバイアスとの相関関係を評価すること。
• 垂直温度勾配が、多様なモデルおよびMIP間で炭素吸収バイアスの強力な予測要因として機能するかどうかを特定すること。

提案手法

• CMIP5およびCMIP6モデルの表面および上層海洋変数を体系的に評価するために、国際海洋モデルベンチマーキング（IOMB）ソフトウェアパッケージを用いた。
• モデル出力を、2つの独立したデータセットから導出された観測推定値（1994–2007年）と比較した。
• 観測値に対するモデルのシミュレーションにおける anthropogenic DIC および CFC 濃度のバイアスを定量化した。
• 海洋の層密度構造と換気効率の代理指標として、200〜1000 m深度間の垂直温度勾配を計算した。
• 垂直温度勾配バイアスと炭素吸収バイアスの間の線形関係を検証するため、モデル間の回帰分析を実施した。
• 炭素吸収および換気のバイアスの空間的パターンを分析し、特に北北大西洋および南半球の30–60°Sにおける地域的モデルの欠陥を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMIP6モデルは観測値と比較して、現代の海洋炭素吸収量をどの程度正確に再現しているか？
• RQ2 CMIP5およびCMIP6モデルは、海洋炭素インベントリの表現において、どこで、なぜバイアスを示しているか？
• RQ3 モデル間で、垂直温度勾配のバイアスと炭素吸収バイアスとの間に一貫した関係が存在するか？
• RQ4 モデルでCFC濃度に負のバイアスが生じている地域が、anthropogenic DIC の負のバイアスと一致するか？ これは換気関連の誤差を示唆するか？
• RQ5 垂直温度勾配は、さまざまな地球システムモデル間で、炭素吸収バイアスの信頼できる予測要因として機能するか？

主な発見

• CMIP6モデルのマルチモデル平均は、1994年から2007年の累積的な海洋炭素吸収量を15%低く見積もっており、27.2 ± 2.2 Pg C であったのに対し、観測推定値は32.0 ± 5.7 Pg C であった。
• anthropogenic DIC の負のバイアスは、深層水形成が重要な北北大西洋および南半球の中緯度帯（30–60°S）で顕著に現れた。
• 換気のトレーサーとして用いられるCFC濃度に負のバイアスを示すモデルは、同時に anthropogenic DIC に対しても負のバイアスを示しており、表面から内部への輸送が弱いという共通の原因があることを示唆している。
• CMIP5およびCMIP6モデル全体において、200–1000 m の垂直温度勾配のバイアスと炭素吸収バイアスとの間に強い線形関係が存在する。
• 本研究では、モデルの海洋層密度構造および換気効率のバイアスが、シミュレートされた海洋炭素吸収量の誤差の主な駆動要因であると確認した。
• 表面栄養塩、温度、塩分に関してはCMIP6はCMIP5に比べて改善が見られるが、炭素吸収に関しては改善がなく、海洋内部輸送プロセスにおける構造的欠陥が継続していることが示唆された。