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看直接向上的雨林树木的看法,婆罗洲。信誉:彼得罗普曼/ alamy股票照片
看直接向上的雨林树木的看法,沙巴,婆罗洲,马来西亚。 信誉:彼得罗普曼/ alamy股票照片
气候模型
2020年4月14日16:49

yabo亚博体育app下载分析:如何使“碳循环反馈”如何使全球变暖变得更糟

亚慱官网碳短文员工

多个作者

04.14.20
气候模型 yabo亚博体育app下载分析:如何使“碳循环反馈”如何使全球变暖变得更糟

做出气候变化预测的科学家必须应对一些不确定因素。

全球变暖的程度将取决于未来排放量的大小又转而取决于社会如何增长和发展。变暖的速度也取决于如何敏感的气候是增加大气温室气体。

然而,气候变化还取决于一个被低估的因素,即碳循环反馈“。碳周期反馈中的不确定因素意味着世界可以更加温暖 - 或者比通常是普遍认为的更多 - 或者比例更少。

碳循环是在大气,陆地,海洋和含有的生物之间看到碳交换的过程的收集。“反馈“请参阅这些过程如何随着地球变暖和大气二氧化碳浓度升高而改变。

常用的加热预测 - 那些突出的那些政府间气候变化小组(IPCC)评估报告 - 包括单一最佳估计碳循环反馈。但他们不考虑这些估计中的巨大不确定性。

这些不确定性是不同之间分歧的“主导来源之一”模型预测根据本·布斯博士他的同事英国气象局哈德利中心

格里塔·通伯格(Greta Thunberg)等气候活动人士也有同样的想法表示担忧这种气候预测通常没有完全考虑到碳循环反馈的潜在范围。

本文通过研究过去十年科学家们进行的一系列模型研究,探讨了碳循环反馈不确定性的含义。这些研究给出了与IPCC预测中使用的碳循环反馈类似的中心估计。

但是,在高端,结果表明,这些反馈可以推动大气浓度的温室气体浓度高得多 - 意味着更多的变暖 - 从相同的排放水平。

yabo亚博体育app下载本文的分析表明,反馈可能会导致比IPCC主要预测高出25%的升温。

碳循环反馈不确定性的重要性

今天,一半人类发出的二氧化碳仍然在大气中,随后被海洋和土地吸收。然而,由于地球温暖,这有望改变。例如,变暖减少金额由表面海水吸收的二氧化碳和土壤中螯合的碳量。它也可以加速树死野火的风险解冻永久冻土可以将额外的碳释放到大气中。总的来说,碳循环是将会减弱由于气候变化,导致更多的排放留在大气中,更少被陆地和海洋吸收。在将未来二氧化碳排放转化为大气二氧化碳浓度变化时,所有这些过程都带来了不确定性。

作为地球变暖的碳循环行为的变化是一个例子气候反馈- 从次要因素到地球温度的自我加强变化。然而,并非所有这些反馈都必须采取措施来提高温度。二氧化碳施肥效果可导致额外的植被生长,血液血液螯合。氮循环变化也可以增强碳的陆地吸收。动态植被随着温暖气候的反应变化 - 这是潜在的植被变化作为区域气候变化 - 也具有重要的影响,但对碳循环的影响不确定。

碳循环反馈组件简化图及其对陆地和海洋碳汇的影响。图1来自Lade等人2018年

未来全球变暖的情景气候建模社区确实考虑碳循环反馈,但通常使用来自以前研究的反馈强度的单一估计,并且不包括碳循环反馈中的任何不确定性。场景遗漏碳循环反馈不确定性的原因大约一半气候模拟小组目前没有包括模拟碳循环反馈变化所需的生物地球化学循环。那些包含生物地球化学的被称为地球系统模型”

为了能够比较所有不同的气候模型,科学家们设计了实验,让所有的模型运行一套特定的未来温室气体浓度和其他气候强迫,称为代表浓度途径(rcp)。这四个由浓度驱动的实验RCP2.6RCP4.5RCP6.0,RCP8.5-支持了主要的气候预测IPCC第五次评估报告(AR5)于2013年出版。他们实际上并没有实际使用碳排放,因此,不包括将排放转化为浓度的任何碳循环反馈不确定性。

(但应该注意,尽管RCP在“浓度”方面定义,但在AR5中以这种方式使用,即使在使用集中型气候投影的论文中,它们通常也被称为“排放场景”这一并不严格准确,不幸的是导致了对RCP的性质以及缺乏对将排放转化为浓度的不确定性的困惑。

探讨将排放转化为浓度的不确定性,单独的气候模型实验 -C4MIP-看看如果你使用排放情景来运行地球系统模型,而不是提供来自rcp的预估温室气体浓度,会发生什么。IPCC第5次评估报告中也包括了这些预测,但不如集中驱动的预测突出。

对于这些排放驱动的模拟,开发rcp的建模者基于他们自己的模型提供了一组与浓度路径一致的排放情景(尽管需要注意的是,排放情景的范围很广泛兼容每个RCP浓度途径)。

由于建模时间是有限的,并且所有组都有包括碳循环的模型,只有12种不同的型号参与AR5 - 并且仅使用与非常高的RCP8.5浓度途径常见的排放物用于地球系统模型运行。虽然这种高排放情景是不是考虑到当前的政策,它阐明了燃料使用量回归大幅增长的后果,也使模型之间的差异得以清晰地看到。

然而,随着气候模型变得越来越复杂,其中包含的碳循环反馈的范围也扩大了。例如,AR5模型中没有一个包含永久冻土融化,而一些较新的模型有永久冻土模块。类似地,现在更多的模型包括动态氮循环,这往往会减少碳循环反馈的规模。

集中式驱动模型依赖于日期的碳循环反馈估计的事实 - 并且忽略这些估计中的不确定性 - 意味着可能的未来气候变化范围可能大于普遍接受的。

建模碳循环反馈

通过C4MIP探索了碳循环反馈。如前所述,仅使用参与C4MIP实验的模型子集,并且仅使用单个发射场景(通常与RCP8.5常规相关)。

C4MIP也表示可用模型的集合-称为乐团的机会——而不是为了探索碳循环反馈中的不确定性而特意设计的实验。参与C4MIP的每个模型都设计了他们认为最准确的碳循环,而不是对控制碳循环过程的所有可能的潜在价值进行任何有目的或彻底的探索。

有苔藓山毛榉树的根的森林土壤。信誉:Pablo Scapinachis阿姆斯特朗/ Alamy股票照片

森林土壤与苔藓山毛榉树的根。信誉:Pablo Scapinachis阿姆斯特朗/ Alamy股票照片

一个单独的尝试探索碳循环的不确定性是Booth和他的同事在2017年开发的。他们没有比较来自不同模拟中心的结果,而是采用了单一的气候模型——哈德利中心耦合模型的一个版本。HADCM3.,并探索了影响碳循环反馈的陆地和海洋生物地球化学过程的广泛可能参数。

它们进一步限制了他们的分析,以仅选择符合历史观察的那些变体。yabo亚博体育app下载将模型从1860开始运行,并将建模的大气二氧化碳浓度与本一天进行比较。只有可以有效再现过去二氧化碳浓度的模型变体仅用于分析未来变化的27(57个)模型变体。

这种可能碳循环参数的探索被称为“扰动物理合奏”(PPE)。它允许研究人员探索比C4MIP方法更广泛的潜在碳循环反馈,但是限制它们都在单个底层模型上运行而不是不同的不同模型。PPE为两个未来的发射方案运行:与RCP2.6和RCP8.5传统相关的那些。

PPE.研究了六种不同的地表参数,包括:

PPE运行也看出了影响碳循环反馈的大气和海洋参数的不同价值。这些包括温度响应的大小(通过对流和云参数的变化),降雨分布,土地/地面和陆/海形成。它们导致比C4mip更广泛的碳循环反馈估计,具有显着数量的更高浓度的估计。

展位和同事表明,未来的碳循环反馈中的大多数不确定性来自土地碳循环 - 而不是不同气候敏感性或者海洋碳的变化。随着全球变暖和大气中二氧化碳浓度的增加,陆地碳循环的变化——比如土壤呼吸和光合作用的变化——可以使精确匹配当前条件的模型在2100年之前得出更高的二氧化碳浓度。

下图显示了常规关联的排放场景的2100年大气二氧化碳浓度的分布。f我们的rcp在IPCC第五次评估报告中。实黑线表示与每个RCP相关的浓度情景。条形图分别表示所有C4MIP和PPE运行的大气浓度范围,而每个点表示单个运行。

来自碳循环反馈实验的二氧化碳浓度

来自C4MIP和PPE的碳周期反馈估计,对于传统上与RCP相关的每个排放场景。条形图表示全范围的估计,而每个模型由点表示。标准RCP浓度为2100,如IPCC AR5所示,通过水平黑线显示。有关如何估计RCP特定值的详细信息,请参阅最后的方法部分。

C4MIP和PPE实验均建议碳循环反馈比每个RCP的排放情景和浓度途径之间的传统关系中的常规关系中的碳循环反馈大。

例如,由常规与RCP4.5常见的排放产生的平均大气二氧化碳浓度为每百万份(PPM)在C4mip和PPE中的562ppm,而标准RCP4.5浓度途径本身的值为538ppm。

差异在较低发射方案中比较低发射的差异更大。C4mIP和PPE的常规RCP2.6排放产生的平均浓度为3%。通过常规RCP4.5排放,两组实验中的4%越高,而常规RCP6.0排放量在C4mip中具有4%,PPE中的8%越高。RCP8.5显示最大的差异,平均浓度在C4mip中的5%越高,PPE中的15%越高。

下图提供了另一种看待碳循环反馈估计的方法。它并没有显示每个RCP下2100年的大气CO2浓度,而是显示了2100年CO2浓度与标准RCP浓度的变化。

例如,使用传统的RCP8.5排放,CO2浓度可以在C4MIP模型中RCP8.5实际值936ppm的-142ppm到213ppm之间,在PPE运行中RCP8.5实际值的-84ppm到660ppm之间。

包括碳循环反馈不确定性的二氧化碳浓度变化

相对于标准RCP浓度,来自C4MIP和PPE的C4MIP和PPE的碳循环反馈估计与C4MIP和PPE相比,与RCP常规相关。条形图表示全范围的估计,而每个模型由点表示。有关如何估计RCP特定值的详细信息,请参阅最后的方法部分。

这些平均值掩盖了碳循环反馈中的许多变异性。这一分析的一个主要结论是,尽管更新的碳循环反馈估计可能只会小幅增加平均结yabo亚博体育app下载果,但碳循环反馈的不确定性显著增加了不太可能但更极端的二氧化碳浓度结果。

虽然大量碳循环反馈估计估计在标准浓度值之上近于或谦虚地,但有较少数量的非常大的估计,特别是在PPE实验中,特别是在高发射场景中。

例如,在中间RCP6.0场景 - 是合理一致根据目前制定的气候政策,2100年的标准二氧化碳浓度是百万分之670ppm。在所有C4MIP运行过程中,常规rcp6.0相关排放产生的平均浓度为697ppm。在所有PPE上运行它的722ppm。然而,对包括碳循环反馈在内的所有浓度的最高估计是C4MIP中的799ppm,而PPE中的936ppm相当大——比IPCC AR5中使用的RCP6.0中的2100二氧化碳浓度高出40%。

这意味着在文献中的最高可用碳周期反馈估计下,RCP6.0相关的排放情景可能导致2100个大气压二氧化碳浓度等于标准RCP8.5集中情景的浓度。

这仍然是一个不太可能的结果——39个碳循环反馈估计中只有一个得出了这么高的结果——但同时这也是一个值得考虑的风险。最高的估计还包括一个模型,其气候敏感性高于IPCC AR5(称为耦合模式相互比较项目5 -)中列出的任何一个气候模型CMIP5),但不一定超出范围一些新的CMIP6估计

值得注意的是,这里考虑的碳循环反馈估计的范围可能仍然是保守的,因为许多这些碳循环模型缺乏大量的反馈——无论是正的还是负的——包括永久冻土融化、氮循环变化和动态植被。许多这些缺失的反馈已经包含在最新一代的模型-CMIP6-目前正在运行。这些实验将在完成后提供碳循环不确定性的更新视图。

还有其他类型的反馈可以影响排放,目前没有包括在模型中。例如,2019年纸研究人员加州大学欧文看看高排放情景下的经济反馈——换句话说,一个高度变暖的世界造成的经济损害如何减缓增长和排放。这组作者认为,“对化石燃料的经济损害产生的净负反馈可能足以抵消陆地和海洋生态系统的正反馈;然而,这些经济损失可能不成比例地影响到脆弱人口,并使减缓气候变化更加困难"。

碳循环反馈对未来变暖的影响

碳循环反馈中的不确定性有可能导致大气中的CO2浓度2100,其比RCP中排放和浓度之间的标准关系更高或谦虚地低。

在气候模型中,大气中二氧化碳浓度的变化将转化为2100年的额外或减少的变暖,尽管具体程度取决于此多么敏感每个模型都是针对大气中二氧化碳的变化。

在IPCC AR5中呈现的2100个变暖的范围依赖于四种固定的CO2浓度方案(RCP) - 每个方案,其中每个方案基于来自前一代气候模型的碳循环反馈的最佳估计。然而,这种最佳估计忽略了本解释者的先前部分所示的碳循环反馈估计中的大不确定性。包括碳周期的不确定性将用于扩大未来的变暖估计范围。

亚马逊河,南美洲的卫星图象。信用:美国宇航局档案/ alamy股票照片
亚马逊河,南美洲的卫星图象。信用:美国宇航局档案/ alamy股票照片

为了量化碳循环反馈不确定性对未来变暖的影响,我们拍摄了IPCC AR5中使用的每个CMIP5气候模型,并估计在12个C4MIP和27中的每一个中发生了多少(或减少)的变暖PPE碳循环反馈估计。(可以在文章末尾的方法部分中找到这些计算的详细信息。)

下图显示了我们的分析结果。yabo亚博体育app下载第一个条形图显示了IPCC AR5中CMIP5气候模式中每个RCP浓度路径的变暖标准范围。第二个条形图显示了如果使用C4MIP中12种不同的碳循环反馈估计与rcp常规相关的排放来运行每个CMIP5模型会发生什么,而第三个条形图显示了27种PPE运行中每一种CMIP5模型的估计值。

每个黑点代表单个模型估计,结合不同以反馈估计在第二个和第三个酒吧,黑点的相对密度的模型和以反馈的数量估计,可能导致的气候变暖。

基于碳循环反馈实验的热化估计

Prepustrial(1861-1899)和世纪末(2091-2100)之间的全局平均平均变化来自CMIP5型号(第一条),以及基于C4MIP和PPE中的碳循环反馈估计调整的CMIP5型号(用于传统上与RCP相关的每个排放场景的第二和第三条。每个模型/碳循环反馈组合由点表示。有关详细信息,请参阅末尾的方法部分。

在标准CMIP5模型运行下,在2100年相比预计的变暖量工业化前的温度范围从低RCP2.6浓度路径下的0.9℃到高RCP8.5浓度路径下的6C。如果将碳循环反馈的不确定性包括在内,这个范围在下限上略有增加——从0.9摄氏度增加到0.8摄氏度——而在上限上则大幅增加——从6摄氏度增加到7.7摄氏度。

低端RCP2.6模型是不出所料的,对碳循环反馈不确定性最不敏感,因为整体排放是最小的。在RCP2.6中,当考虑到C4MIP和PPE运行时,所有气候模型的平均变暖为1.7℃。使用PPE运行,所有模型的升温范围略微从0.9-2.5℃略微增加到0.8-2.7℃。

在中等缓解RCP4.5场景中,在C4MIP和2.6C中,在CMIP5至2.6C(1.5-3.8C)中,平均变暖从2.5C(所有型号范围为1.6-3.3C)增加(1.5-4C)PPE。低压rcp6场景在C4mip和3.2℃(2.1-5c)中的CMIP5至3.1C(2-4.4C)中的3C(2.3-3.9c)增加了PPE。

最后,非常高的RCP8.5场景在C4mip和4.9c(3.1至7.7c)中,从4.6c(3.3到6c)中,在ppe中的4.9c(3.1至7.7c)中,显示最大增加。

虽然在所有RCP场景中投射的平均变暖仅改变适度的变化 - 但是预期结果,因为它们的标准浓度途径已经包括碳循环反馈的估计 - 纳入不确定性基本上扩展高端变暖估计,特别是在高发射场景中扩大高端变暖估计。

即使在更适中的排放情景下,高气候敏感度和高碳循环反馈的组合可能导致大幅变暖。中级RCP6.0例如,温室气体排放可能导致气温上升5摄氏度,尽管这未必是最可能的结果。中央估计仍在3摄氏度左右。

在CMIP5模式中,这种计算碳循环不确定性对全球变暖影响的方法并不完善。一个主要的限制是,通过C4MIP和PPE的39个不同的碳循环反馈估计被假定是独立于气候模型的——也就是说,每个气候模型都可能有任何碳循环反馈。

在现实中,碳循环反馈是由大气中二氧化碳的变化和温度的变化驱动的,所以低敏感性的气候模型不太可能看到高碳循环反馈。

然而,对这些相互作用的核算将对产生的变暖估计范围相当小,因为高端仍然由高灵敏度模型确定,这也预期具有最大的碳循环反馈。

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碳循环反馈是确定未来变暖的重要且经常被低估的因素。虽然当前的IPCC热化投影占RCP浓度方案中的“平均”碳循环反馈,但它们不包括碳循环反馈估计中的大不确定性。该分析表明yabo亚博体育app下载,当考虑这些不确定性时,可能的未来大气CO2浓度和变暖的范围比常见的报道相当宽。

甚至有可能,碳循环反馈可以允许更温和的排放情景——比如传统上与RCP6.0相关的情景——达到非常高端的RCP8.5情景中的浓度,但只有在所有可用的碳循环反馈估计中最高的情况下。

更广泛地,这提供了政策制定者支持雄心勃勃的缓解途径的另一个原因,因为在许多评估中可能低估了非常高的温暖结果的可能性,这些评估目前不考虑碳循环反馈不确定性。

方法

为了估计碳循环反馈不确定性的大小,我们考察了两种不同的分析:气候-碳循环耦合模型相互比较项目(C4MIP)和HADCM3C扰动物理合奏(个人防护用品)。C4MIP提供排放驱动的RCP8.5从12个不同的CMIP5型号运行,但由于计算时间和预算有限而无法运行其他RCP。PPE为RCP2.6提供27种不同的哈维数模型,SRES A1B场景和RCP8.5。基于它们的能力,这些选自较大的57件,其能够准确地复制历史二氧化碳排放和大气浓度之间的关系。

为了探索碳循环反馈对更广泛的未来排放情景的影响,我们使用来自C4MIP和PPE的RCP8.5运行来估算其他rcp中碳循环反馈的可能幅度。我们分析了当RCP8.5运行达到与其他rcp的2100值相同的大气浓度时的碳循环反馈值。

例如,2100年RCP4.5的CO2浓度为538ppm;这与RCP8.5在2050年达到的水平相同。通过观察RCP8.5运行中2050年碳循环反馈估计的范围,我们可以得到RCP4.5 2100年的近似值。在RCP2.6场景中,我们使用提供的从PPE运行的RCP2.6,但对C4MIP使用RCP8.5进行估计(因为C4MIP只有RCP8.5可用)。我们通过比较RCP8.5估计和RCP2.6为PPE提供的运行来测试这种方法,并发现尽管相对较短期的年份(2022年),RCP8.5达到了RCP2.6 2100的浓度,但仍相当接近。

对CMIP5模式和C4MIP模式以及PPE模式的碳循环反馈模型进行了未来增温估算。首先,我们得到了42个CMIP5模式的历史/RCP全球平均地表温度序列KNMI气候探险家工具.我们不得不删除四种型号 - CMCC-CM,CMCC-CMS,EC-NARM和FIO-ESM - 哪里瞬态气候响应(TCR)的值在IPCC的AR5表9.5或陈等人2019表1(用于填写表9.5以外的一些模型),得到38个CMIP5模型。

接下来,我们计算了所有C4MIP和PPE中的四个RCP中的每个RCP中的2100中的标准浓度方案的碳循环反馈差异。这涉及从标准2100 RCP浓度的每个运行中差异差异。然后,这些39个碳循环反馈差异(12 C4MIP模型和27个PPE运行)用于计算基于TCR的38个CMIP5模型中的每一个中发生的附加(或减少)变暖。

具体来说,二氧化碳的额外作用力是通过以下公式计算的:

在哪里base_co22100 RCP的标准浓度是多少add_co2.是碳循环反馈差异。

通过以下方式计算额外的变暖:

在哪里f_2xco2.是与大气二氧化碳加倍相关的强制性:3.7瓦每米平方米。

此方法有一些应该注意的限制。首先,正如前面提到的,它假设碳循环反馈估计和CMIP5模型之间是独立的,但在实践中可能不是这样。第二,用于估计缺失的rcpp的方法——使用与这些rcpp相关的CO2达到2100水平时的RCP8.5值作为替代——隐含地假设CO2浓度是碳循环反馈幅度的主要驱动因素。

在实践中,CO2浓度、温度和降水变化都在决定碳循环反馈的大小方面发挥作用,而其他方法,如当温度达到2100与这些rcp相关的水平时使用RCP8.5值,可能会产生适度不同的结果。

用于产生此分析的所有底层材料可用于公共Github存储库,包括yabo亚博体育app下载Jupyter笔记本使用来运行代码和所有输入和输出数据文件

感谢Pierre Friedlingstein和Ben Booth提供C4MIP和HadCM3C输出。

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