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气候模拟
2020年4月14日16:49

yabo亚博体育app下载分析:如何“碳循环反馈”可能使全球变暖恶化

亚慱官网碳工作人员简要介绍

多个作者

20年4月14日
气候模拟 yabo亚博体育app下载分析:如何“碳循环反馈”可能使全球变暖恶化

科学家在进行气候变化预测时,必须处理许多不确定因素。

全球变暖的量将取决于未来排放量的大小,而这又取决于社会如何成长和发展。变暖的速度也将取决于如何敏感的气候是增加大气中的温室气体。

然而,气候变化还取决于被称为“一个被低估的因素碳 - 循环反馈”。占碳循环反馈的手段不确定性,世界可以温暖更多 - 还是有点少 - 比通常认为。

碳循环过程的集合,看到碳大气,陆地,海洋和它们所包含的有机体之间的交换。“反馈”指的是这些进程会如何变化的地球变暖和大气二氧化碳浓度上升。

常用的变暖预测 - 在这些突出政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告 - 包括碳 - 循环反馈的单个最佳估计。但他们没有考虑这些估算的较大的不确定性。

这些不确定性的分歧之间的不同“的主要来源之一”模型预测根据本·布斯博士而在同事气象局哈德利中心

气候运动人士,比如Greta Thunberg,也这样做了表示关注气候突起通常不完全包括碳循环反馈的电势范围。

本文考察了一些建模的科学家在过去十年中进行的研究的探索碳循环反馈的不确定性的影响。这些研究中得到的碳 - 循环反馈到那些在IPCC预测中使用的类似的中央估计。

但是,在高端,结果表明这些反馈可以推动温室气体的大气浓度高得多 - 这意味着更多的温暖 - 从发射的同一水平。

yabo亚博体育app下载分析这篇文章表明,反馈可能导致多达比主IPCC预测25%的升温。

碳循环反馈的不确定性的重要性

今天,大约一半人类排放的二氧化碳仍然在大气中,与由海洋和陆地吸收的剩余部分。然而,随着地球变暖这一预期变化。例如,升温减少量CO2的吸收通过表面的海水和碳的量土壤中螯合。它也可以加快树死亡野火的危险冻土融化可释放额外的二氧化碳排放到大气。总体而言,碳循环预期减弱气候变化的结果,导致残留在气氛更排放量和较少的由陆地和海洋吸收。所有这些过程的转换未来的二氧化碳排放到大气中的二氧化碳浓度的变化时带来不确定性。

在碳循环行为作为地球变暖的变化是一个的例子气候反馈- 从一个次要因素到地球的温度自增强变化。并非所有的这些反馈的必然起到增加温度,但是。二氧化碳施肥效果可能会导致额外的植被生长,封存更多的碳。氮循环变化还可以增强碳吸收地。在应对气候变暖的动态植被变化 - 占潜在植被转变为区域气候变化 - 也对碳循环的重要,但不确定的影响。

碳循环反馈元件以及它们对陆地和海洋的碳汇作用的简图。图1从拉德等人2018

未来气候变暖的情景气候建模社区做考虑碳循环反馈,但经常使用的从以往的研究反馈强度单一估计,不包括任何在碳循环反馈的不确定性。究其原因情景离开了碳循环反馈的不确定性是,气候模拟组目前不包括需要模型碳循环反馈的变化生物地球化学循环。那些确实包括生物地球化学被称为“地球系统模型”

为了能够比较所有不同的气候模型,科学家们设计实验,所有的机型运行一套温室气体和其他气候强迫指定未来的浓度,被誉为代表性的浓度途径(的RCP)。这四个浓度驱动的实验 -RCP2.6RCP4.5RCP6.0RCP8.5——为《气候变化框架公约》的主要气候预测提供了支撑IPCC第五次评估报告(AR5)出版于2013年,他们实际上并不在所有使用的碳排放量,因此,不包括任何组织翻译成排放浓度碳循环反馈的不确定性。

(然而,应当注意的是,虽然在的RCP在“浓度”定义的,并且在AR5这种方式被使用,它们通常被称为即使在论文“排放情景​​”即使用浓度驱动气候突起。这是没有严格准确,不幸造成了一些混乱在垃圾收集站的性质和翻译成排放浓度得不到承认的不确定性的)。

为了探索不确定性翻译成排放浓度,单独的气候模型实验 -C4MIP- 看,如果你使用的排放情景,而不是为他们提供从垃圾站预估计的温室气体浓度进行地球系统模型会发生什么。这些也包括在IPCC AR5,但是不那么明显地比浓度驱动突起。

对于这些排放驱动的模拟,谁开发的垃圾收集站的模型设计者提供对准浓度途径一套排放情景,根据自己的车型(虽然它是要注意重要的是广泛的排放情景兼容与每个RCP浓度途径)。

由于造型的时间是有限的,不是所有的群体都有模型,包括碳循环,只有12个不同型号的参加AR5 - 只有常规与非常高RCP8.5浓度通路相关的排放量分别用于地球系统模式运行。虽然这种高排放情景考虑到反映当前的政策,它说明了回至燃料使用大幅增长的后果,也使模型之间的差异被清楚地看到。

然而,随着气候模型已经变得更加复杂,他们包括碳循环反馈的范围不断扩大。第五次评估报告的模型中没有包括永久冻土层解冻,例如,而一些较新的机型有永久冻土模块。类似地,更大量的模型现在包括动态氮循环,这趋向于降低碳循环反馈的大小。

而忽略这些估计的不确定性 - - 意味着未来可能的气候变化的范围可能大于普遍接受的是浓度驱动的模式运行依靠过时的碳循环反馈估算的事实。

建模碳 - 循环反馈

碳循环反馈都通过C4MIP了初步探索。正如前面提到的,只有模型的一个子集参与C4MIP实验,并且仅使用一个单一的未来排放情景(即通常与RCP8.5相关)。

C4MIP也代表可用模型的集合 - 被称为合奏的机会- 而不是故意旨在探讨在碳循环反馈的不确定性的实验。参与C4MIP每个模型设计了碳循环提供了他们认为是最准确的估计,而不是所有可能的潜在值的执政碳循环过程的任何有目的的或彻底的探索。

森林土壤有苔藓山毛榉树的根。信用:巴勃罗Scapinachis阿姆斯特朗/ Alamy图片社图片

森林与土壤长满青苔的山毛榉的根源。信用:巴勃罗Scapinachis阿姆斯特朗/ Alamy图片社图片

一个单独的尝试探索碳循环的不确定性是在2017年由布斯和他的同事开发的。而不是从不同的模拟中心的比较结果,他们把一个单一的气候模式 - 一个版本的哈德利中心的耦合模式“HadCM3反演”用碳周期过程中加入,称为‘HadCM3C’ - 和探索了广泛的陆地和海洋生物地球化学流程,影响碳循环反馈可能的参数。

他们进一步限制他们的分析只选择那些变种匹配历史观察。yabo亚博体育app下载模特们从1860起运行和模拟大气中的二氧化碳浓度一直到今天相比的观察。只有27(满分57)模式的变体,可以有效地再现过去的二氧化碳的浓度来分析未来的变化。

可能的碳循环参数这一探索被称为“扰动物理集合”(PPE)。它允许研究人员能够探索更广泛的范围比C4MIP方法的潜在碳循环反馈,虽然有限制,他们是在一个单一的基本模型的所有运行,而不是不同型号的多元化。那些通常与RCP2.6和RCP8.5相关:该PPE是为两个未来排放情景运行。

该PPE检查六个不同的陆面参数,包括:

该PPE运行也看了不同的值是影响碳循环反馈的大气和海洋参数。这些包括温度响应的幅度(通过对流和云参数的变化)陆地/表面,雨量分布,和陆地/海洋反差。它们导致在更宽的范围内的碳循环反馈估算值C4MIP的,具有高得多的浓度的估计值的一个显着的数量。

布斯和他的同事表明,大部分在今后的碳循环反馈的不确定性来自于陆地碳循环 - 而不是不同气候敏感性或海洋碳变化。改变土地碳循环随着全球变暖和大气二氧化碳浓度增加 - 比如土壤呼吸作用和光合作用的变化 - 可以允许精确地匹配当前的状况在2100年以更高的二氧化碳浓度到最终的模型。

下图显示了大气中的二氧化碳浓度在2100年的排放情景的分布通常与每个相关F我们的垃圾收集站刊登在IPCC AR5。实心黑线表示与每个RCP相关的浓度的情况。条形代表在所有C4MIP和PPE运行时,分别大气浓度的范围内,而每个点显示一个单独的运行。

二氧化碳浓度从碳循环反馈的实验

碳循环反馈估计2100年从C4MIP和PPE的传统与RCP相关联的每个排放情景。条表示全范围的估计的,而每个单独的模型由点表示。标准RCP浓度2100,在IPCC AR5为已使用,由水平黑线所示。见方法节末对RCP-具体数值是如何估算的详细信息。

两者C4MIP和PPE的实验表明碳循环反馈比在每个RCP排放情景和浓度途径之间的关系常规假定大。

例如,从通常与RCP4.5有关的排放所产生的平均大气CO 2浓度在C4MIP和562ppm的PPE每百万(ppm)560份,相对于在标准RCP4.5浓度途径本身538ppm的值。

差异是在高排放情景低于排放的大得多。从常规RCP2.6排放所产生的平均浓度在两种C4MIP和PPE更高3%。与常规RCP4.5排放它是在两组实验高4%,而与常规的RCP6.0排放它是在更高C4MIP 4%,在PPE高8%。RCP8.5示出了最大的差异,在PPE的平均浓度高5%在C4MIP和高15%。

下图提供了另一种方式来看待碳循环反馈的估计。代替表示各RCP下在2100大气二氧化碳浓度的,它显示了在二氧化碳浓度在2100从标准RCP浓度的变化。

例如,使用常规RCP8.5排放的二氧化碳浓度可以是下面-142ppm和213ppm在C4MIP模型和-84ppm和在PPE运行实际RCP8.5值的660ppm之间936ppm的实际RCP8.5值以上之间。

当包含碳循环反馈的不确定性时,CO2浓度的变化

在2100年从C4MIP和PPE每个排放情景碳循环反馈的估计通常用RCP,相对于标准RCP浓度有关。条表示全范围的估计的,而每个单独的模型由点表示。见方法节末对RCP-具体数值是如何估算的详细信息。

平均值掩盖在碳循环反馈了很多可变性。一位来自该分析的主要外卖的是,虽然更新的碳循环反馈估计列入可能仅略有增加yabo亚博体育app下载平均的结果,在碳循环反馈的不确定性显着增加的,可能少,但是,更极端的CO2浓度结果。

虽然很多碳循环反馈估计位于接近或略高于标准浓度值,也有一个较小的数量非常大的估计,特别是在PPE的实验中,特别是在高排放情景。

例如,在中间RCP6.0情景 - 这是相当一致与当前制定气候政策 - 2100年标准的CO2浓度是670ppm。从常规RCP6.0相关的排放跨所有C4MIP运行产生的平均浓度为697ppm。在所有的PPE运行它722ppm。然而,所有的浓度的最高限估计包括碳循环反馈是在C4MIP 799ppm并且在PPE相当大的936ppm - 过在RCP6.0 2100 CO 2浓度提高了40%,如在IPCC AR5使用。

这意味着,在文献中可用的最高碳循环反馈估计下一个RCP6.0相关的排放情形可能会导致2100个大气二氧化碳浓度等于在标准RCP8.5浓度场景。

这仍然是一个不太可能的结果 - 只有39碳循环反馈估算之一产生的结果,这种高 - 但在同一时间,它是一个风险值得考虑。最高端的估计也涉及与气候敏感性比任何在IPCC第五次评估报告功能的气候模型发现较高的模型(被称为耦合模式比较计划5 -CMIP5),尽管不一定以外的范围内一些新的CMIP6估计

这里考虑的碳循环反馈估计的范围内仍可能是保守的是要注意重要的,因为许多这些碳循环模型的缺乏一批具有反馈 - 无论是正面和负面的 - 包括永久冻土层解冻,氮循环的变化和动态植被。许多这些失踪的反馈已经包含在最新的一代车型 -CMIP6- 这是当前正在运行。这些实验完成时,他们将提供碳循环的不确定性的更新视图。

也有其他类型的反馈能影响当前没有包含在模型排放。例如,一纸2019研究人员在加州大学尔湾分校研究了高排放情景下的经济反馈——换句话说,世界高度变暖带来的经济损害如何可能减缓增长和排放。这组作者认为,“化石燃料对经济的破坏产生的净负反馈,可能足以抵消陆地和海洋生态系统的正反馈;然而,这些经济损失可能会不成比例地影响弱势人口,并使减缓气候变化变得更加困难。

碳循环反馈对未来气候变暖影响

在碳 - 循环反馈的不确定性有由2100要高得多,导致大气二氧化碳浓度的电位 - 或温和走低 - 比从在RCP的排放量和浓度之间的关系的标准可以预期。

更改大气二氧化碳浓度将转化为额外的 - 或减少 - 2100变暖的气候模型中,虽然具体多少取决于多么敏感每个模型是对大气二氧化碳的变化。

变暖呈现2100的范围内的IPCC AR5上四个固定CO 2浓度的场景(的的RCP)依赖 - 其每一个都基于来自前代气候模式的碳循环反馈的最佳估计。然而,这种单一最佳估计忽略在该解释器的现有部分中显示碳循环反馈估计大的不确定性。包括碳循环的不确定性将有助于扩大未来的气候变暖估计的范围。

亚马逊河,南美的卫星图像。来源:NASA存档/ Alamy图片社图片
亚马逊河,南美的卫星图像。来源:NASA存档/ Alamy图片社图片

为了量化碳循环反馈的不确定性对未来气候变暖的影响,我们把每在IPCC第五次评估报告中使用的CMIP5气候模型,并估计多少额外的(或降低),气候变暖会根据每个12 C4MIP和27发生PPE碳循环反馈的估计。(这些是如何计算作了可以在文章末尾的方法部分中找到的细节。)

下图显示了我们的分析结果。yabo亚博体育app下载第一个柱状图显示了IPCC AR5中的CMIP5气候模型中每个RCP浓度路径的标准变暖范围。第二个柱状图显示了如果每个CMIP5模型使用传统上与RCPs相关的排放和C4MIP中的12种不同碳循环反馈估计值来运行会发生什么,而第三个柱状图显示了27次PPE运行中的每一次CMIP5估计值。

每个黑点代表一个单模型的估计 - 结合在第二和第三条的情况下,每个不同的碳循环反馈的估计 - 与黑点的相对密度给出的模型和碳循环反馈估计的数量的意义上可能会导致气候变暖的量。

基于碳循环反馈的实验温补估计

工业化前之间从CMIP5模型结束世纪(2091年至2100年)单独(第一个条)全球平均表面温度的变化(1861年至1899年)和,以及CMIP5模型调整基于在C4MIP和PPE碳循环反馈估计(第二和第三条带)的每个排放情景通常与一个RCP相关联。每个单独的模型/碳循环反馈组合是由一个点表示。见方法一节末的细节。

根据标准CMIP5模式运行,量变暖预计在2100年相对于工业化前的温度范围为0.9℃的低浓度RCP2.6通路6C的RCP8.5浓度途径下具有高的下一个低端。当碳循环反馈的不确定性被包括温和在低端此范围增大 - 以0.8C从0.9C - 和更基本的高端 - 从6C至7.7C。

低端RCP2.6模型是,勿庸置疑,碳 - 循环反馈的不确定性最不敏感,因为总排放是最小的。在RCP2.6,在所有气候模型的平均增温1.7℃是在CMIP5和1.8C当两个C4MIP和PPE运行被考虑在内。该系列所有型号的增加略微升温从0.9-2.5C使用C4MIP 0.8-3C 0.8-2.7C和使用PPE奔跑。

在适度减缓RCP4.5情景,(平均增温率从2.5℃(射程在所有1.6-3.3C的车型),以2.6C(1.5-3.8C)在C4MIP和2.6C的CMIP5 1.54C)的PPE。低缓解RCP6场景升温从3C(2.3-3.9C)在CMIP5至3.1C(2-4.4C)在C4MIP和3.2C(2.1-5C)的PPE增加。

最后,非常高RCP8.5情景示出了最大的增加,从4.6C(3.3至6C)在CMIP5在PPE 4.7C(2.9〜6.7C)在C4MIP和4.9C(3.1至7.7C)。

因为它们的标准浓度的途径已经包括碳循环反馈的估计的预期的结果 - - 而平均变暖在所有的RCP场景投影仅改变温和的不确定性纳入基本上膨胀高端升温估计,特别是在高排放情景。

高气候灵敏度和高的碳 - 循环反馈的组合可能导致大幅升温,即使在较为温和的排放情景。中间RCP6.0排放情景可以看到,升温至5℃,例如,虽然这不一定是最有可能的结果。中央估计仍然围绕3C。

用于计算在CMIP5模式变暖碳循环的不确定性的影响,这种做法有些不完美。一个主要的限制是跨C4MIP和PPE的39种不同的碳循环反馈估算值被认为是独立的气候模型的 - 也就是说,每个气候模式可以想见,有任何的碳循环反馈的。

在现实中,碳 - 循环反馈是通过在大气中的二氧化碳和温度的变化都改变驱动,从而降低灵敏度气候模型将是不太可能看到高的碳 - 循环反馈,例如。

然而,占这些相互作用会对所产生的升温估计范围相当小的冲击,因为高端仍然受到也将预计将有最大的碳循环反馈高灵敏度模型来确定。

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碳循环反馈是决定未来变暖的重要,并经常被低估的因素。虽然目前的IPCC气候变暖的预测占了RCP浓度情况下一个“平均”碳循环反馈,他们不包括碳循环反馈估计较大的不确定性。这一分析表yabo亚博体育app下载明,当这些不确定因素都考虑在内,未来可能出现的大气二氧化碳浓度和气候变暖的范围大大宽于一般的报道。

碳循环反馈甚至可能允许一个更温和的排放情景——例如传统上与RCP6.0相关的情景——达到非常高端的RCP8.5情景中所发现的浓度,但只在所有可用的碳循环反馈估计的最高水平。

更广泛地说,这提供了另一个原因决策者支持雄心勃勃的减排途径,非常高的变暖结果的可能性,可以在目前不考虑碳循环反馈的不确定性,许多评估被低估。

方法

为了估计碳循环反馈的不确定性的程度,我们研究了两种不同的分析:耦合气候 - 碳循环模式比较计划(C4MIP)和HadCM3C扰动物理合奏(PPE)。C4MIP提供排放驱动RCP8.5运行来自12种不同型号CMIP5,但其他垃圾收集站并未因有限的计算时间和预算运行。该PPE提供27点不同的HadCM3C模型RCP2.6,SRES A1B情景和RCP8.5的运行。这些是从基于其准确的复制历史CO2排放和大气中的浓度之间的关系的能力更大的一组57中选择。

要探索碳循环反馈的一个更广泛的对未来情景的影响,我们使用RCP8.5运行来自C4MIP和PPE来估计其他垃圾收集站的碳循环反馈的可能幅度。我们分析了碳循环反馈值当RCP8.5运行达到了大气中的浓度相当于在其他垃圾收集站2100倍的值。

例如,2100年RCP4.5的CO2浓度为538ppm;这与2050年达到的8.5兰特的水平相同。通过观察RCP8.5运行期间2050年碳循环反馈估计的范围,我们可以得到RCP4.5 2100年值的近似值。在RCP2.6场景中,我们使用从PPE运行的提供的RCP2.6,但是使用针对C4MIP的RCP8.5进行估计(因为C4MIP只有RCP8.5可用)。通过比较PPE的RCP8.5估计和提供的RCP2.6运行情况,我们测试了这种方法,发现尽管在相对较短的年份(2022年),RCP8.5达到2100年RCP2.6的浓度,但仍相当接近。

未来变暖估计为每个可能的组合CMIP5模型和碳循环反馈估计两者C4MIP和PPE。我们首先获得合并的历史/ RCP全球平均地表温度系列在可用42种不同型号CMIP5KNMI气候资源管理器工具。我们不得不删除四个型号 - CMCC-CM,CMCC-CMS,EC-EARTH和FIO-ESM - 其中瞬变气候响应对于模型(TCR)值分别为不提供任一IPCC AR5表9.5或陈等人2019表1(其用于填充在一些模型中未在表9.5),导致38个CMIP5模型。

接下来我们在四个垃圾收集站所有C4MIP和PPE运行的计算在2100年从标准浓度情景碳循环反馈的差异。这涉及从简单的标准2100 RCP浓度差分中的每个运行中的2100 CO2浓度。然后,将这些39碳循环反馈的差异(12个C4MIP模型和27次PPE运行)被用于计算额外的(或还原的)加热时会出现在每个基于模型TCR 38个CMIP5模型。

具体而言,附加从CO2迫使使用下式计算:

哪里base_co2是标准的2100 RCP浓度和add_co2是碳循环反馈差。

其他变暖进行了计算:

哪里f_2xco2被强迫与大气中的二氧化碳增加一倍有关:每米3.7瓦特平方。

这种方法有许多应该注意的限制。首先,正如前面所提到的,它假定碳循环反馈估计和CMIP5模型之间的独立性,这可能不是在实践中的情况。第二,该方法用于估计丢失的RCP - 通过使用RCP8.5值时,CO2达到2100级与这些垃圾站作为代理相关联的水平 - 隐含地假设,CO2浓度为碳循环反馈幅度的主要驱动力。

在实践中,CO 2浓度,温度和沉淀改变所有播放在确定碳 - 循环反馈和其他方法,例如,当温度达到与那些相关联的RCP 2100个水平使用RCP8.5值,可能会产生适度不同的结果的幅度的作用。

所有用于生产这种分析的基本材料在公共GitHub的库是可用的,包括yabo亚博体育app下载使用Jupyter笔记本运行代码和所有的输入和输出数据文件

我们感谢皮埃尔Friedlingstein和Ben展位提供C4MIP和HadCM3C输出。

从这个故事中Sharelines
  • yabo亚博体育app下载分析:如何“碳循环反馈”可能使全球变暖恶化
  • 解释器:怎么可能“碳循环反馈”影响全球变暖?

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