[論文レビュー] Energetics of IPCC4AR Climate Models: Energy Balance and Meridional Enthalpy Transports

Valerio Lucarini, Francesco Ragone|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、大気・海洋・陸上におけるエネルギー収支および緯度方向の顕熱輸送を分析することで、IPCC4AR気候モデルのエネルギー力学的特性を評価する。エネルギー閉じ込めの顕著なバイアス、特に低下した惑星放射温度が寒冷バイアスを引き起こしていることが判明し、二酸化炭素濃度上昇に伴い大気と海洋の熱輸送の応答が相違することを明らかにした。全輸送は最大で10％増加し、極域拡大に寄与している。

ABSTRACT

We analyze the PCMDI/CMIP3 simulations performed by climate models (CMs) using pre-industrial and SRESA1B scenarios. Relatively large biases are present for most CMs when global energy budgets and when the atmospheric, oceanic, and land budgets are considered. Apparently, the biases do not result from transient effects, but depend on the imperfect closure of the energy cycle in the fluid components and on inconsistencies over land. Therefore, the planetary emission temperature is underestimated. This may explain the CMs' cold bias. In the pre-industrial scenario, CMs agree on the location in the mid-latitudes of the peaks of the meridional atmospheric enthalpy transport, while large discrepancies exist on the intensity. Disagreements on the location and intensity of the oceanic transport peaks are serious. With increased $CO_2$ concentration, a small poleward shift of the peak and an increase in the intensity of the atmospheric transport of up to 10% are detected in both hemispheres. Instead, most CMs feature a decrease in the oceanic transport intensity in the northern hemisphere and an equatorward shift of the peak in both hemispheres. The Bjerkens compensation mechanism is active both on climatological and interannual time scales. The peak of the total meridional transport is typically around $35^\circ$ in both hemispheres and scenarios, whereas disagreements on the intensity are relevant. With increased $CO_2$ concentration, the total transport increases by up to 10%, thus contributing to polar amplification. Advances in the representation of physical processes are definitely needed for providing a self-consistent representation of climate as a non-equilibrium thermodynamical system.

研究の動機と目的

• プレインダストリアルおよびSRES A1Bシナリオ下でのCMIP3気候モデルにおけるエネルギー収支の閉じ込めの正確性を評価すること。
• エネルギー循環の不整合に注目し、気候モデルに持続する寒冷バイアスの原因を診断すること。
• 大気および海洋における緯度方向顕熱輸送の表現と、それらが二酸化炭素増加にどのように反応するかを評価すること。
• エネルギーバランスを維持するための大気・海洋成分間のエネルギー交換に、Bjerkens補償機構が果たす役割を調査すること。
• 上昇した二酸化炭素下での全緯度方向エネルギー輸送の変化を定量し、極域拡大への影響を検討すること。

提案手法

• プレインダストリアルおよびSRES A1B強制シナリオを用いたPCMDI/CMIP3シミュレーションの分析。
• 全球的および成分別（大気、海洋、陸上）エネルギー収支の評価により、不均衡を特定する。
• モデル出力からの大気および海洋熱フラックスを用いて、緯度方向顕熱輸送を計算する。
• モデル間での輸送パターンの気候平均および年間変動の比較。
• エネルギー閉じ込め誤差の診断として、惑星放射温度を用いる。
• 大気および海洋成分間のエネルギー交換を検討するため、Bjerkens補償フレームワークを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IPCC4AR気候モデルのエネルギー収支における主なバイアスの原因は何か？
• RQ2 気候モデルは大気および海洋における緯度方向顕熱輸送をどのように表現しており、モデル間でその表現にどのような差異があるか？
• RQ3 二酸化炭素濃度上昇が大気および海洋熱輸送の強度と位置にどのように影響するか？
• RQ4 これらのモデルにおいて、Bjerkens補償機構はどのような時間スケールで活性化しているか？
• RQ5 上昇した二酸化炭素下での全緯度方向エネルギー輸送の純変化は何か？また、極域拡大とどのように関係しているか？

主な発見

• 気候モデルはエネルギー収支の閉じ込めに顕著なバイアスを示しており、主に流体成分におけるエネルギー循環の不完全な閉じ込めと陸上における不整合が原因で、惑星放射温度が低く見積もられている。
• モデルの寒冷バイアスは、これらのエネルギー閉じ込め誤差、特に長波放射の放射出力の低減に強く関連している。
• モデルは中緯度におけるピーク大気顕熱輸送の位置については合意しているが、輸送強度には顕著な差異を示している。
• 海洋輸送ピークの位置と強度についても、モデル間で深刻な不一致が見られ、一貫したパターンは存在しない。
• 二酸化炭素濃度上昇に伴い、大気の緯度方向顕熱輸送は最大で10％増加し、両半球でわずかに極側にシフトする。
• 大多数のモデルで北半球における海洋輸送強度が低下し、両半球でピークが赤道側にシフトしており、海洋熱輸送の弱体化を示している。