[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过分析大气、海洋和陆地之间的能量平衡与经向热通量输送，评估了IPCC4AR气候模型的能量收支。研究发现能量闭合存在显著偏差，特别是行星发射温度被低估，这导致了冷偏差；并揭示了在CO₂浓度升高的条件下，大气与海洋热输送响应存在差异，总输送量最多增加10%，并导致极地放大效应。

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.

研究动机与目标

• 评估在预工业和SRES A1B情景下CMIP3气候模型的能量收支闭合准确性。
• 诊断气候模型中持续存在冷偏差的原因，重点关注能量循环不一致问题。
• 评估大气与海洋中经向热通量输送的表征及其对CO₂增加的响应。
• 探究Bjerkens补偿机制在不同气候分量间维持能量平衡中的作用。
• 量化在CO₂浓度升高的条件下总经向能量输送的变化及其对极地放大效应的影响。

提出的方法

• 利用预工业和SRES A1B强迫情景下的PCMDI/CMIP3模拟进行分析。
• 评估全球及各分量（大气、海洋、陆地）的能量预算，以检测不平衡。
• 基于模型输出的大气与海洋热通量计算经向热通量输送。
• 比较不同模型中输送模式的气候态与年际变异性。
• 使用行星发射温度作为诊断工具，评估能量闭合误差。
• 应用Bjerkens补偿框架，分析大气与海洋分量之间的能量交换。

实验结果

研究问题

• RQ1 IPCC4AR气候模型能量收支中的主要偏差来源是什么？
• RQ2 气候模型如何表征大气与海洋中的经向热通量输送？不同模型之间的表征有何差异？
• RQ3 CO₂浓度升高如何影响大气与海洋热输送的强度与位置？
• RQ4 在不同时间尺度上，Bjerkens补偿机制在这些模型中的活跃程度如何？
• RQ5 在CO₂浓度升高的条件下，总经向能量输送的净变化是多少？其与极地放大效应有何关联？

主要发现

• 气候模型在能量收支闭合方面存在显著偏差，主要源于流体分量中能量循环闭合不完善及陆地上的不一致，导致行星发射温度被低估。
• 模型中的冷偏差与这些能量闭合误差密切相关，特别是长波辐射出射被低估。
• 尽管模型在中纬度地区对大气热通量输送峰值位置有共识，但在输送强度上存在巨大差异。
• 不同模型在海洋输送峰值的位置与强度上存在严重分歧，且无一致模式。
• 在CO₂浓度升高的条件下，大气经向热通量输送最多增加10%，且在两个半球均略有向极地移动。
• 大多数模型显示北半球海洋输送强度下降，且峰值位置向赤道方向移动，表明海洋热输送减弱。