[논문 리뷰] State-dependence of CO2 Forcing and its Implications for Climate Sensitivity

Haozhe He, Ryan J. Kramer외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 21.

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이산화탄소 두 배 증가에 따른 순순방사강제력(instantaneous radiative forcing from CO2 doubling, IRF2xCO2)이 일정하지 않고 상태에 따라 달라지며, 오로지 오로라층 냉각으로 인해 CO2 두 번째 증가 시점에 약 25% 증가함을 입증한다. 이로 인해 사전산업시대 이후 IRF2xCO2는 약 10% 증가하였다. 이러한 상태 의존성은 강제력에 대한 모델 간 산란의 약 50%를 설명하며, CO2 농도 상승에 따라 기후 민감도가 비례적으로 증가함을 시사한다.

ABSTRACT

When evaluating the effect of CO2 changes on the earth's climate, it is widely assumed that instantaneous radiative forcing from a doubling of a given CO2 concentration (IRF2xCO2) is constant and that variances in climate sensitivity arise from differences in radiative feedbacks, or a dependence of these feedbacks on the climatological base-state. In this paper, we show that the IRF2xCO2 is not constant, but also depends on the climatological base-state, increasing by ~25% for every doubling of CO2, and has increased by ~10% since the pre-industrial era primarily due to stratospheric cooling, implying a proportionate increase in climate sensitivity. This base-state dependence also explains about half of the inter-model spread in IRF2xCO2, a problem that has persisted among climate models for nearly three decades.

연구 동기 및 목표

• 이산화탄소 두 번째 증가에 따른 순순방사강제력(IRF2xCO2)이 다양한 기후 기준 상태에서 일정한지 여부를 조사하기 위해.
• 기후 모델링에서 약 30년간 지속된 문제였던, 기준 상태 의존성이 방사강제력 추정치의 모델 간 산란에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 오로라층 냉각과 대기 열역학적 구조 변화가 CO2 방사강제력에 미치는 영향 및 기후 민감도에 대한 함의를 평가하기 위해.
• 강제력의 상태 의존성에 대한 새로운 통찰을 바탕으로, 방사강제력, 피드백 메커니즘 및 기후 민감도 간의 관계를 재평가하기 위해.
• 기후 모델 간 IRF2xCO2의 관측 가능한 변동성에 대한 물리적 기반 설명을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다양한 CO2 농도와 오로라층 온도를 가진 기후 기준 상태를 대상으로 방사선 전달 모델을 사용하여 IRF2xCO2를 계산하였다.
• 사전산업시대에서 현대 시대 및 그 이상의 수준까지 CO2를 점진적으로 두 배로 증가시키며 방사강제력 변화를 추적하였고, 기준 상태 변화의 영향을 분리하였다.
• 기준 상태 변화에 기인한 IRF2xCO2 증가에 기여하는 오로라층 냉각의 기여도를, 오로라층 온도 조정이 포함된 시뮬레이션과 포함되지 않은 시뮬레이션을 비교하여 정량화하였다.
• CMIP6 모델 간 IRF2xCO2의 이질성을 분석하여, 기준 상태 의존성이 모델 간 산란을 설명하는 데 기여하는지를 평가하였다.
• 방사선 커널 기법을 적용하여 대기 온도, 수증기, 구름 피드백의 기여도를 상태 의존성에 분해하였다.
• 단순화된 방사강제력 프레임워크를 사용하여 IRF2xCO2와 기준 상태 CO2 농도 수준 간의 스케일링 관계를 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기의 기후 기준 상태에 따라 이산화탄소 두 번째 증가에 따른 순순방사강제력(IRF2xCO2)은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 오로라층 냉각은 사전산업시대 이후 관측된 IRF2xCO2 증가에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 기준 상태 의존성이 기후 모델 간 IRF2xCO2의 상당한 분산을 설명할 수 있는가?
• RQ4 CO2 강제력의 상태 의존성은 평형 기후 민감도 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기준 상태 CO2 농도 증가에 따라 IRF2xCO2는 어떻게 정량적으로 스케일링되는가?

주요 결과

• 기준 CO2 농도가 두 배로 증가할 때마다 이산화탄소 두 번째 증가에 따른 순순방사강제력(IRF2xCO2)은 약 25% 증가한다.
• 사전산업시대 이후 IRF2xCO2는 오로라층 냉각으로 인해 주로 약 10% 증가하였다. 이는 CO2의 방사강제 효율성이 향상되었기 때문이다.
• 이러한 상태 의존성은 CMIP6 기후 모델 간 IRF2xCO2의 모델 간 산란의 약 절반을 설명한다.
• 기준 상태 CO2 농도 증가에 따른 IRF2xCO2 증가는 특히 오로라층에서의 대기 열역학적 구조 변화로 인한 것으로, 이는 CO2 흡수의 방사강제 효율성을 변화시킨다.
• 이러한 발견은 기후 민감도가 일정하지 않고, CO2 농도 상승에 따라 비례적으로 증가함을 시사한다.
• 이 연구는 기준 상태 변화 조건 하에서 IRF2xCO2가 일정하다는 가정이 타당하지 않음을 보여줌으로써 오랫동안 지속된 방사강제력 추정치의 괴리 문제를 해결하였다.