[논문 리뷰] 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 Moore외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 23.

Marine and coastal ecosystems인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 IOMB 벤치마킹 프레임워크를 사용하여 CMIP5 및 CMIP6 기후모델의 성능을 평가하며, 양 모델 세대 모두 현대 해양 인위적 탄소 흡수량을 과소평가하고 있음을 밝혀냈다. 특히 CMIP6 모델의 경우 약 15% 과소평가되며, 관측치(1994–2007년 기준 32.0 ± 5.7 Pg C) 대비 27.2 ± 2.2 Pg C로 나타났다. 이 오차는 수직 온도 기울기 과소평가와 표면에서 해저로의 수송이 약한 데 기인하며, 이는 해양 분층화 및 환류 오류가 탄소 흡수 오차의 주요 원인임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• IOMB 벤치마킹 프레임워크를 활용하여 CMIP5 및 CMIP6 기후모델이 현대 해양 탄소 흡수량을 얼마나 잘 시뮬레이션하는지 평가하기 위해.
• 모델 간의 체계적 오차, 특히 해양 인위적 탄소 재고의 공간적 패턴을 규명하기 위해.
• 수직 온도 기울기(해양 분층화 및 환류의 지표)에서의 모델 오차와 탄소 흡수 오차 간의 연관성을 조사하기 위해.
• 모델에서 CFC 농도가 과소평가되는 것이 인위적 DIC 농도 오차와 관련이 있는지, 즉 환류의 지표로 사용되는 CFC 농도와의 상관관계를 평가하기 위해.
• 다양한 모델 및 MIP 간에 수직 온도 기울기가 탄소 흡수 오차 예측에 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• CMIP5 및 CMIP6 모델의 표면 및 상층 해양 변수를 체계적으로 평가하기 위해 국제 해양모델 벤치마킹(IOMB) 소프트웨어 패키지를 활용하였다.
• 관측치로부터 유도된 두 개의 독립된 데이터 세트를 기반으로 1994–2007년 기간 동안의 인위적 탄소 흡수량 관측치와 모델 출력치를 비교하였다.
• 관측치 대비 모델 시뮬레이션에서 인위적 DIC 및 CFC 농도의 오차를 정량화하였다.
• 해양 분층화 및 환류 효율의 지표로 사용하기 위해 200–1000m 수심 간 수직 온도 기울기를 계산하였다.
• 모델 간 선형관계를 검증하기 위해 수직 온도 기울기 오차와 탄소 흡수 오차 간의 교차 모델 회귀 분석을 수행하였다.
• 탄소 흡수 및 환류 오차의 공간 패턴을 분석하여, 특히 북대서양 북부 및 남반구 30–60°S 지역에서의 모델 단점이 드러나도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMIP6 모델은 관측치와 비교해 얼마나 정확하게 현대 해양 인위적 탄소 흡수량을 시뮬레이션하는가?
• RQ2 CMIP5 및 CMIP6 모델은 해양 탄소 재고 표현에서 어디서, 그리고 왜 오차를 보이는가?
• RQ3 모델 간 수직 온도 기울기 오차와 탄소 흡수 오차 사이에 일관된 관계가 존재하는가?
• RQ4 모델에서 CFC 농도가 음수 오차를 보이는 지역이 인위적 DIC 농도 오차 지역과 겹치는가? 이는 환류 관련 오류를 시사하는가?
• RQ5 수직 온도 기울기가 다양한 기후모델 및 MIP 간에 탄소 흡수 오차 예측에 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 있는가?

주요 결과

• CMIP6 모델의 다중모델 평균은 1994–2007년 기간 동안 누적 해양 인위적 탄소 흡수량을 15% 과소평가하며, 관측치(32.0 ± 5.7 Pg C) 대비 27.2 ± 2.2 Pg C로 나타났다.
• 인위적 DIC의 음수 오차는 북대서양 북부 및 남반구 중위도(30–60°S)에서 가장 뚜렷하며, 이는 깊은 수온 형성 지역으로서 중요한 지역이다.
• 해양 환류의 지표로 사용되는 CFC 농도에서 음수 오차를 보이는 모델들은 인위적 DIC 농도에서도 음수 오차를 보이며, 이는 표면에서 해저로의 수송이 약한 공통된 원인이 있음을 시사한다.
• CMIP5 및 CMIP6 모델 간에 200–1000m 수직 온도 기울기 오차와 인위적 탄소 흡수 오차 사이에 강한 선형관계가 존재한다.
• 본 연구는 모델에서 해양 분층화 및 환류 효율 오차가 시뮬레이션된 해양 탄소 흡수 오차의 주요 원인임을 확인하였다.
• 표면 영양염, 수온, 염도에서는 CMIP6이 CMIP5에 비해 향상된 것으로 나타났지만, 탄소 흡수에서는 변화가 없어 해양 내부 수송 과정의 지속적인 구조적 결함이 존재함을 시사한다.