[论文解读] State-dependence of CO2 Forcing and its Implications for Climate Sensitivity

Haozhe He, Ryan J. Kramer+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2022

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用 4

一句话总结

本文表明，二氧化碳加倍的瞬时辐射强迫（IRF2xCO2）并非恒定，而是具有状态依赖性，由于平流层冷却，每增加一倍CO2，IRF2xCO2将上升约25%，自工业革命前以来，IRF2xCO2已上升约10%。这种状态依赖性解释了约50%的模型间强迫差异，意味着气候敏感性随CO2水平升高而相应增加。

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.

研究动机与目标

• 调查二氧化碳加倍的瞬时辐射强迫（IRF2xCO2）在不同气候基态下是否保持恒定。
• 量化基态依赖性对辐射强迫估算中模型间差异的影响，这是近30年来气候建模中持续存在的问题。
• 评估平流层冷却和大气热力结构变化对CO2辐射强迫的影响及其对气候敏感性的影响。
• 在状态依赖性强迫的背景下，重新评估辐射强迫、反馈机制与气候敏感性之间的关系。
• 为气候模型中观测到的IRF2xCO2差异提供物理解释。

提出的方法

• 使用辐射传输模型，计算在不同气候基态（包括不同CO2浓度和平流层温度）下的IRF2xCO2。
• 逐步将CO2从工业革命前水平增至当前及更高浓度，追踪辐射强迫的变化，隔离基态变化的影响。
• 通过对比有无平流层温度调整的模拟，量化平流层冷却对观测到的IRF2xCO2增加的贡献。
• 分析CMIP6模型中IRF2xCO2的模型间差异，评估基态依赖性在解释模型差异中的作用。
• 应用辐射核技术，分解大气温度、水汽和云反馈对状态依赖性的贡献。
• 采用简化的辐射强迫框架，推导IRF2xCO2与基态CO2浓度之间的比例关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 二氧化碳加倍的瞬时辐射强迫（IRF2xCO2）如何随大气气候基态变化？
• RQ2 平流层冷却在自工业革命以来观测到的IRF2xCO2增加中占多大程度？
• RQ3 基态依赖性能否解释气候模型中IRF2xCO2模型间差异的显著部分？
• RQ4 CO2强迫的状态依赖性如何影响平衡气候敏感性的估算？
• RQ5 IRF2xCO2随基态CO2浓度增加的定量比例关系如何？

主要发现

• 二氧化碳加倍的瞬时辐射强迫（IRF2xCO2）在基态CO2浓度每增加一倍时，约增加25%。
• 自工业革命以来，由于平流层冷却，IRF2xCO2已上升约10%，这主要增强了CO2的辐射效率。
• 这种状态依赖性解释了CMIP6气候模型中约一半的IRF2xCO2模型间差异。
• 随着基态CO2浓度的升高，IRF2xCO2的增加主要由大气热力结构变化引起，尤其是平流层的变化，从而改变了CO2吸收的辐射效率。
• 研究结果表明，气候敏感性并非恒定，而是随CO2水平升高而按比例增加，这是由于这种状态依赖性。
• 本研究通过表明在气候变化条件下恒定IRF2xCO2的假设不成立，解决了长期存在的辐射强迫估算差异问题。