气候系统对二氧化碳强迫和太阳辐射强迫从1天到1000年时间尺度上响应的模拟研究

摘要

自工业革命以来，人类活动（化石燃料燃烧、土地利用等）不断排放CO2等温室气体，造成全球气候变化。大气CO2增加产生的辐射强迫是造成全球变暖的主要原因。除了CO2，太阳辐射、气溶胶等也是造成全球气候变化的重要外部强迫。本文以CO2强迫和太阳辐射强迫为例，利用HadCM3L气候系统模式，开展了一系列的模拟试验:(1)大气CO2浓度突然增加4倍(4×CO2试验)，这个试验中既考虑CO2通过吸收长波辐射对气候的影响(CO2的辐射效应)，又考虑CO2通过影响植被气孔性质产生的气候效应(CO2的气孔效应);(2)大气CO2浓度突然增加4倍，但仅考虑CO2对长波辐射的吸收作用，而不考虑CO2对植被的作用(4×CO2atm试验);(3)模式太阳常数突然增加4％，由1365.0Wm-2增加到1419.6W m-2(4％Solar试验)。
　　CO2和太阳辐射等外源强迫发生后，气候系统的不同组成部分响应时间不同。大气和陆地地表具有较低的热容量，响应较快，而海洋热容量较大，温度变化较慢。近年来一些气候变化研究将气候系统对外源强迫的响应区分为“快响应”和“渐进反馈”。快响应是指全球平均温度，主要是海表温度发生明显变化之前气候系统的响应;渐进反馈是指随着时间推移，海表温度显著上升后引发的气候系统变化。本文从快响应和渐进反馈的角度出发，根据HadCM3L模拟结果，系统研究了气候系统在从外源强迫发生后的第1天到1000年后的连续演变过程，揭示CO2强迫和太阳辐射强迫对气候系统快响应和渐进反馈的影响异同。
　　根据模拟结果，在强迫发生后的第1天，4×CO2试验和4％Solar试验中大气层顶向下的净辐射通量（即外源强迫对气候系统的辐射强迫）分别为9.69 W m-2和6.30Wm-2，而在1000年后，气候系统达到准平衡状态时，全球表面平均温度升高了5.71 K和5.70 K，这说明对于同样的平均地表温度变化，所需的太阳辐射强迫要大于所需的CO2辐射强迫，即CO2辐射强迫的效率高于太阳辐射强迫的效率。通过对模拟结果的分析，发现辐射强迫效率的差异主要与地气系统快速调整过程中晴空长波辐射的变化有关。这主要是由于CO2的辐射效应使得气候系统中更多的长波辐射被吸收，因此，第1年4％Solar试验中大气层顶更多的晴空长波逃逸到外太空。
　　通过比较不同时间尺度上4×CO2试验和4×CO2 atm试验中全球表面温度的变化，发现在强迫发生后的第1天，4×CO2试验中陆地表面增温0.67 K，而4×CO2 atm试验增温0.25 K，在强迫发生后1个月后，4×CO2试验中陆地表面增温比4×CO2 atm试验高将近1倍，说明强迫发生后的短时间尺度（大约1个月）上，CO2的气孔效应对地面增温有着重要作用。大气CO2浓度增加，使得植物叶片导度降低，植被蒸腾减少，潜热释放减少。同时，陆地上空低云云量减少，到达地面的太阳辐射增加，引起地表增温。在数年以上的时间尺度上，4×CO2试验和4×CO2 atm试验温度变化差距随时间减小，模式达到准平衡状态时，4×CO2试验和4×CO2 atm试验的地表平均温度为5.71 K和5.22 K，表明随着时间的推移，4×CO2试验中CO2的辐射效应对气候系统中全球表面温度的变化起主导作用。
　　4×CO2试验和4％Solar试验达到准平衡状态时全球平均地表平均温度变化基本相同，但二者造成降水的变化差异很大，相对于参照试验，4×CO2试验和4％Solar试验，降水分别增加了5.41％和10.81％。利用线性回归的方法，将平衡态降水的变化表示为降水对外源强迫的快响应和降水对温度变化渐进反馈的线性叠加。模拟结果表明，对于CO2强迫和太阳辐射强迫，由于温度变化造成的降水变化基本相同。CO2强迫和太阳辐射强迫造成的降水差异主要体现在海表温度发生显著变化前的快响应阶段，在快响应阶段，就陆地而言，大气CO2浓度增加，植被气孔导度降低，减少植被气孔向大气蒸腾的水汽，从而减少降水;就海洋而言，大气CO2增加，CO2的辐射效应导致大气增温，而海洋的比热较大，海表温度变化落后于低层大气，低层大气垂直稳定度增加，抑制蒸发和降水。
　　本研究有助于理解CO2和太阳辐射强迫对气候系统的影响机制，为预测未来气候变化提供理论基础。另一方面，研究气候系统对CO2强迫和太阳辐射强迫的响应也有助于理解以减少太阳辐射为基础的地球工程产生的气候效应，为认知地球工程对气候系统的可能影响提供理论基础。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 气候系统对CO2强迫响应的研究现状

1．2．2 气候系统对太阳辐射强迫响应的研究现状

1．2．3 气候系统快响应和渐进反馈研究现状

1．3 研究内容

1．4 创新性

2 模式与方法

2．1 模式描述

2．2 模拟试验设计

2．3 具体计算

2．3．1 标准差计算

2．3．2 线性回归方法

2．3．3 辐射强迫效率

3 不同时间尺度上辐射通量对CO2强迫和太阳辐射强迫的响应

3．1 大气层顶净辐射通量在不同时间尺度t的调整

3．2 大气层顶辐射通量的变化及其和全球表面平均温度的关系

3．3 地表辐射通量的变化

3．4 本章小结

4 分析不同时间尺度上温度对CO2强迫和太阳辐射强迫的响应

4．1 全球表面平均温度随时间的变化

4．2 地表温度随时间的空间分布

4．3 大气温度垂直分布的变化

4．4 本章小结

5 不同时间尺度上水循环对CO2强迫和太阳辐射强迫的响应

5．1 地表降水的变化

5．2 大气中水汽的变化

5．3 本章小结

6 总结与讨论

6．1 总结

6．2 讨论

参考文献

附录

作者简介