[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用 IOMB 基准测试框架评估了 CMIP5 和 CMIP6 地球系统模型，发现两代模型均低估了当代海洋人为碳吸收——CMIP6 模型低估约 15%（27.2 ± 2.2 Pg C 对比观测值 32.0 ± 5.7 Pg C，时间范围为 1994–2007 年）。该偏差与垂直温度梯度低估及表层到海洋内部的输送偏弱密切相关，表明模型在海洋层结和通风方面的误差是导致碳汇偏差的主要原因。

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.

研究动机与目标

• 利用 IOMB 基准测试框架，评估 CMIP5 和 CMIP6 地球系统模型在模拟当代海洋碳吸收方面的表现。
• 识别模型中海洋人为碳储量及其空间分布的系统性偏差。
• 探究模型在海洋通风（通过垂直温度梯度衡量）方面的偏差与碳吸收偏差之间的关联。
• 评估模型中 CFC 浓度的低估是否与人为 DIC 偏差相关，作为通风过程的示踪指标。
• 确定垂直温度梯度是否可作为跨多种模型和 MIP 的碳吸收偏差的稳健预测因子。

提出的方法

• 利用国际海洋模型基准测试（IOMB）软件包，系统评估 CMIP5 和 CMIP6 模型的表层和上层海洋变量。
• 将模型输出与基于两套独立数据集推导出的观测性人为碳吸收估计值（1994–2007 年）进行对比。
• 量化模型模拟中人为 DIC 和 CFC 浓度相对于观测值的偏差。
• 计算 200 至 1000 米深度之间的垂直温度梯度，作为海洋层结和通风效率的代理指标。
• 开展跨模型回归分析，检验垂直温度梯度偏差与碳吸收偏差之间的线性关系。
• 分析碳吸收和通风偏差的空间分布特征，识别模型在区域上的不足，特别是北大西洋北部和南半球 30–60°S 区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMIP6 模型在多大程度上准确模拟了与观测值相比的当代海洋人为碳吸收？
• RQ2 CMIP5 和 CMIP6 模型在表征海洋碳储量方面存在哪些偏差？其原因是什么？
• RQ3 在不同模型中，垂直温度梯度偏差与碳吸收偏差之间是否存在一致的关系？
• RQ4 模型中 CFC 浓度偏差为负的区域是否与人为 DIC 偏差为负的区域重合，表明存在与通风相关的误差？
• RQ5 垂直温度梯度能否作为跨不同地球系统模型的碳吸收偏差的可靠预测因子？

主要发现

• CMIP6 模型的多模型平均值在 1994 至 2007 年间低估了累积海洋人为碳吸收 15%，结果为 27.2 ± 2.2 Pg C，而观测估计值为 32.0 ± 5.7 Pg C。
• 人为 DIC 的负偏差在北大西洋北部和南半球中纬度地区（30–60°S）最为显著，这些区域是深层水形成的关键区域。
• CFC 浓度存在负偏差的模型（CFC 用作海洋通风的示踪剂）也表现出人为 DIC 的负偏差，表明其共同根源在于表层到海洋内部的输送偏弱。
• 在 CMIP5 和 CMIP6 模型中，200–1000 米深度的垂直温度梯度偏差与人为碳吸收偏差之间存在显著的线性关系。
• 本研究证实，模型在海洋层结和通风效率方面的偏差是导致模拟海洋碳吸收误差的主要驱动因素。
• CMIP6 相较于 CMIP5 在表层营养盐、温度和盐度方面有所改进，但在碳吸收方面未见改善，表明海洋内部输送过程仍存在持续的结构性缺陷。