气候反馈对温度空间模态的依赖性:IPCC AR6解读

王菲,张华*,刘梦婷,于晓超,赵树云

自政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)发布以来,国内学者陆续对报告进行了全面解读(姜大膀和王晓欣,2021;廖宏等,2021;孙颖,2021;张华等,2021;赵树云等,2021;周波涛,2021;姜彤等,2022;苏布达等,2022;谭红建等,2022)。其中,张华等(2021)简要解读了第一工作组(WGI)报告第七章(Forster et al.,2021)有关地球辐射收支、气候反馈和气候敏感度的主要结论,赵树云等(2021)详细解读了地球系统中的多种气候反馈机制。需要指出的是,张华等(2021)和赵树云等(2021)有关气候反馈的讨论都是基于一个标准框架ΔN=ΔF+αΔT,其中ΔN和ΔT分别表示大气顶净辐射通量的变化和地表气温的变化,ΔF表示有效辐射强迫,α表示气候反馈参数。该标准框架假设气候反馈强度α固定不变。但在实际大气中,ΔN和ΔT之间并不是简单的线性关系,地表增温空间模态随时间的演变会影响气候反馈强度,这意味着气候反馈参数并不是一个固定的量(Andrews et al.,2015)。张华等(2021)和赵树云等(2021)并未介绍地表增温空间模态及其对气候反馈的影响,因此,本文在其基础上进一步解读了气候反馈对温度空间模态的依赖性。自AR5以来,气候学界在理解气候反馈对时间依赖性的关键机制方面已经取得了一些进展。从历史时期和未来预测的对比中可以发现,地表增温空间模态随时间的演变导致气候反馈具有明显的时间依赖性,而地表增温空间模态与纬向、经向温度梯度的变化有关。

19世纪以来的观测资料和气候模式模拟都表明,地表气温增加的大尺度空间模态具备几个共同特征。例如,北极地区地表升温幅度远大于全球平均水平,也大于南半球高纬度地区;陆面气温增加速率通常大于海洋表面。但是,观测和模式模拟之间也存在一些明显差异。地球系统模式模拟结果显示,赤道太平洋东部地区的变暖幅度大于西部地区,导致赤道太平洋东-西向海温梯度在多年代际至百年的时间尺度上普遍呈现出减小趋势。但是观测资料并未体现赤道太平洋东-西向海温梯度的减小趋势。

本文对AR6第七章有关气候反馈对温度空间模态依赖性的内容做扼要解读,主要介绍了两种普遍存在的地表温度变化空间模态:极地放大效应和热带太平洋东-西向海表温度梯度,以及气候反馈瞬态变化与地表温度变化空间模态演变之间的关联。

1 极地放大效应

极地放大是指在辐射强迫驱动下,高纬度地区地表升温幅度超过全球平均水平的现象。极地放大效应通常定义为极地地表增温与全球平均地表增温的比值。历史观测记录和气候模式模拟都证实了北极放大现象(Holland and Bitz,2003;Bekryaev et al.,2010;Pithan and Mauritsen,2014),但南极地区的地表增温幅度小于北极地区(Gulev et al.,2021;Lee et al.,2021)。

基于能量平衡模式的研究(Rose et al.,2014;Roe et al.,2015;Merlis and Henry,2018)表示,极地放大现象主要由向极地潜热能输送的增强引起。随着全球变暖,热带地区的水汽增加幅度大于两极地区(符合克劳修斯-克拉伯龙定律),赤道与极地间水汽梯度的增加导致中纬度地区向极地输送的潜热能增加。向极地潜热能输送的变化可以促进极地放大效应,并抑制热带放大效应。极地增温幅度大于热带地区,赤道与极地间温度梯度减弱,导致向极地干静力能输送减少,进而部分抵消了向极地潜热能输送的增加。大气再分析资料和地球系统模式都证实了向极地潜热能输送对极地放大效应的重要贡献。除向极地热输送以外,极地气候反馈(主要是地表反照率反馈和大气温度直减率反馈)可以增强极地放大效应的强度。在全球变暖条件下,极地海冰消退和积雪融化导致地表反照率反馈为正反馈。极地稳定的大气层结条件导致大气变暖被限制在对流层低层,因而出射辐射减弱,大气温度直减率反馈为正反馈。极地气候反馈可以放大极地变暖,并进一步减小向极地干静力能输送。

能量收支分析(图1;Feldl and Roe,2013;Pithan and Mauritsen,2014;Goosse et al.,2018;Stuecker et al.,2018)显示,热带地区的CO2有效辐射强迫大于极地地区,但极地气候反馈和向极地潜热能输送导致极地升温幅度大于热带地区。在温室气体强迫的驱动下,北极地区地表升温幅度大于南极地区,该现象可用两个主要过程来解释。第一个过程是南大洋的海表热吸收(图1d),即尚未受到辐射强迫影响的深层海水上涌导致南大洋出现强烈的海表热吸收,向北流动的表层海水将吸收的热量带离南极洲。随着全球变暖,北大西洋亚极地也出现了强烈的海表热吸收,这些热量部分输送到北极地区,最终导致进入北极大气的热通量增加(图1b)。造成北极和南极变暖差异的第二个主要过程是气候反馈在两极之间的不对称性,这主要体现为南极地区的大气温度直减率反馈和地表反照率反馈较弱,且云负反馈较强(图1)。然而,需要注意的是,地球系统模式对混合相云的处理可能存在偏差,因此南半球云反馈存在不确定性(Hyder et al.,2018)。在北极地区,强烈的大气逆温层导致大气温度直减率反馈为强烈的正反馈;而南极的冰盖厚度导致大气逆温层较浅且逆温强度较弱,因此大气温度直减率反馈较弱。地球系统模式模拟结果显示在CO2强迫驱动下,南极和北极都存在极地放大效应,但南极的升温幅度总体上要小于北极(Li et al.,2013;Yoshimori et al.,2017)。

图1 CMIP6地球系统模式abrupt4×CO2试验第一百年时全球近地表气温的变化(a)，以及有效辐射强迫、海洋热吸收、大气热输送和气候反馈对北极变暖(b)、热带变暖(c)和南极变暖(d)的贡献

古气候代用资料为过去强迫造成的地表增温大尺度空间模态提供了观测证据,可用于评估模式对这类强迫引起的地表温度响应的模拟效果,也为极地放大效应的长期变化提供了证据。自AR5以来,古气候温度代用资料的准确度已经有所提高。与AR5时期相比,气候模式准确模拟极地放大效应的能力也有所提高。重建的古气候代用资料证明末次盛冰期(Last Glacial Maximum,LGM)、中上新世暖期(Mid-Pliocene Warm Period,MPWP)和早始新世气候适宜期(early Eocene climatic optimum,EECO)都存在极地放大现象(高信度),气候模式的模拟结果也进一步证实了这一结论(Zhu et al.,2019;Haywood et al.,2020;Kageyama et al.,2021;Lunt et al.,2021)。

通过深入理解向极地潜热能输送和气候反馈过程对极地变暖的影响、综合比较气候模式模拟、观测证据和古气候代用资料之间的一致性以及量化评估地球系统模式对过去气候的模拟结果,AR6认为在温室气体强迫下,南、北半球极地放大效应是长期气候响应的一个鲜明特征(高信度)。观测结果显示,北极增温幅度高于全球平均水平。AR6认为,在21世纪,北极增温幅度很可能大于全球平均水平(高信度)。

在仪器记录时期,南大洋增温速度较慢,甚至在1980年以来出现了冷却现象。这可能是冰架融化导致表层海水淡化、臭氧损耗导致地表西风带增强以及海洋对流发生变化导致的。然而,古气候代用资料和地球系统模式得到的平衡态地表增温空间模态并没有反映出南大洋的上述变化。AR6认为,在辐射强迫驱动下,随着气候系统逐渐恢复平衡并且南大洋热吸收逐渐减少,南半球高纬度地区在百年时间尺度上的增温要强于热带地区(高信度),但该特征在21世纪出现的可能仅为低信度。

2 热带太平洋海表温度梯度

在温室气体强迫的驱动下,地球系统模式模拟的气候响应在百年以及更长的时间尺度上存在一个共同特征:赤道太平洋东部的变暖幅度大于西部,导致太平洋东-西向海表温度梯度减弱。多个因素导致了这种空间模态。东太平洋冷舌区域的气候态温度较低、蒸发衰减较弱,因此在大气环流或海洋环流不发生任何变化的情况下,该区域受强迫驱动会出现更强的增温,导致赤道东西太平洋的海表温差减小。耦合了混合层海洋的地球系统模式显示,海温梯度的减小与变暖引起的饱和比湿变化速率有关,这符合克劳修斯-克拉伯龙定律(Merlis and Schneider,2011)。另外,低云反馈的梯度也可能导致赤道太平洋东部变暖。在耦合气候系统中,大气环流和海洋环流的变化也会影响热带太平洋东-西向海温梯度。随着全球气温升高以及赤道太平洋东-西向温度梯度减小,东-西向海平面气压梯度和东信风(表征沃克环流)也将减弱。受此影响,赤道东太平洋上涌冷海水减少,同时向赤道西太平洋和印度洋输送的暖流减少,这反过来又会进一步减小东-西向温度梯度。此外,自AR5以来的研究建立在一个早期理论上,即东-西向温度梯度与南-北向温度梯度有关(Liu and Huang,1997;Barreiro and Philander,2008)。特别地,模式模拟显示,极地放大效应使得热带以外地区下沉海水的温度升高,而这些海水反过来又在东太平洋上涌。因此,在年代际至百年时间尺度上,极地放大效应预计将有助于减小赤道太平洋东-西向海表温度梯度。

自1870年以来的观测结果显示,热带西太平洋海表温度升高,而热带东太平洋海表温度变化较小。自1980年左右,赤道西太平洋强烈变暖而东太平洋强烈变冷,同时赤道地表东信风和沃克环流增强,导致赤道太平洋东-西向温度梯度增强(England et al.,2014)。这种温度空间模态也体现在自1993年以来卫星观测到的海洋热含量趋势和海平面变化上(Bilbao et al.,2015;Richter et al.,2020)。这些观测到的变化可能会受到一个或多个临时因素的影响,包括硫酸盐气溶胶强迫、印度洋-太平洋的内部变率、热带大西洋海表温度多年代际趋势遥相关、南大洋海表温度多年代际趋势遥相关以及减缓赤道东太平洋变暖的海气耦合动力条件等。与历史观测资料相比,CMIP3和CMIP5地球系统模式难以重现沃克环流和太平洋海表温度趋势(Sohn et al.,2013;Zhou et al.,2016;Coats and Karnauskas,2017)。这一困难也许能归因于模式缺陷,例如,模式难以模拟太平洋海表温度多年代际变率、模式对平均气候状态的模拟偏差影响了气候响应或大西洋与太平洋之间的关联,以及模式可能错误地模拟了辐射强迫等。然而,太平洋海表温度趋势的观测结果仍然在 CMIP5 和 CMIP6 模式大量初始场集合模拟的内部变率范围内(Olonscheck et al.,2020;Watanabe et al.,2021)。目前,导致赤道太平洋温度梯度和沃克环流趋势的原因尚未得到充分理解,AR6认为这类变化可能归因于人为影响(低信度),也可能归因于内部变率(中等信度)。

AR5基于古气候代用资料发现在中上新世暖期(MPWP),赤道太平洋东-西向海表温度梯度减小(Masson-Delmotte et al.,2013)。自AR5起,海温记录资料得以扩充,包括对暖池的估算中加入了中国南海站点的海温重建结果以及对冷舌的估算中加入了东太平洋几处新站点的观测结果(O’Brien et al.,2014;Zhang et al.,2014;Fedorov et al.,2015),更新后的海温记录使海温梯度估计值得以订正。基于中上新世暖期(MPWP)的古气候代用资料和地球系统模式模拟、过程理解以及地球系统模式对CO2强迫下的气候响应预测,AR6认为CO2浓度升高引起的平衡态地表增温模态将表现为热带太平洋东-西向海温梯度减小(中等信度)。

总体而言,仪器记录时期观测到的地表增温空间模态(即热带东太平洋存在变暖最小值)不同于中上新世暖期(MPWP)代用资料或地球系统模式得到的平衡态地表增温空间模态。AR6认为,观测到的东-西向海温梯度增强只是暂时现象,在百年时间尺度上海温梯度的增强将转变为减弱(中等信度)。然而,相关研究对于东-西向海温梯度增强的驱动因素以及这些因素在未来将如何演变分歧较大,因此,AR6认为海温梯度转变在21世纪出现的可能仅为低信度。

3 气候反馈对温度空间模态的依赖性

温度的“空间模态效应”(Stevens et al.,2016)通常指海表温度的不均匀空间分布,这类分布可能由气候系统内部变率或外强迫所致。即使在全球平均地表温度不变的情况下,地表温度空间模态的变化也会导致全球大气顶能量收支发生变化,这说明地表增温空间模态会影响全球气候反馈。自AR5以来的新研究已经加深了学界对于海表温度空间模态演变在驱动气候反馈变化中作用的理解(Andrews and Webb,2018;Marvel et al.,2018;Silvers et al.,2018;Dong et al.,2019,2020)。

对地表增温空间模态最为敏感的辐射变化与低云以及对流层温度廓线有关(Ceppi and Gregory,2017;Zhou et al.,2017;Andrews et al.,2018;Dong et al.,2019)。其中,低云会影响全球反照率,对流层温度廓线会影响地气系统向外空发射的热辐射。深对流上升区(例如西太平洋暖池)的海表温度控制热带自由对流层温度,随之也通过影响下沉区(例如东太平洋冷舌)边界层上部的逆温层强度(即对流层低层稳定度)来影响低云。因此,上升区的地表增温可以使自由对流层变暖,导致地气系统向外空发射的热辐射增加;同时可以增强下沉区对流层低层逆温强度使低云量增加,导致地气系统吸收的太阳辐射减少。与之相反,下沉区的地表增温则优先使边界层变暖,促进其与干燥的自由对流层发生对流混合、减少低云量,进而导致地气系统吸收的太阳辐射增加,而向外空发射的热辐射的变化较小。因此,热带上升区变暖导致大气温度直减率反馈和云反馈均为负反馈,而热带下沉区变暖则导致大气温度直减率反馈和云反馈均为正反馈。在中、高纬度地区,地表增温产生的辐射响应比较弱,因为热辐射的变化(普朗克反馈和大气温度直减率反馈)与吸收太阳辐射的变化(短波云反馈和地表反照率反馈)会相互抵消。然而,在变暖较强的情况下,由于短波云负反馈较弱,上述抵消作用也可能减弱。

自1870年以来,赤道东太平洋和南大洋等关键区域的海温变化较小。但是,自1980年之后,这些区域的海温明显降低,同时,赤道下沉区逆温层强度增加,导致赤道东太平洋低云量增加,这与观测一致(Zhou et al.,2016;Ceppi and Gregory,2017;Fueglistaler and Silvers,2021)。因此,尽管全球地表气温在升高,但赤道低云量在近几十年却有所增加,导致低云反馈为负反馈,这与CO2强迫驱动下平衡态地表增温空间模态产生的低云正反馈相反。

为探索地表增温空间模态随时间的演变对气候反馈的影响,大量研究利用地球系统模式来估算历史时期有效气候反馈参数与CO2强迫下平衡态气候反馈参数之间的差值(记为α’)。Andrews et al.(2018)利用历史时期海温和海冰空间分布的观测结果驱动地球系统模式的大气模块(即大气环流模式)来诊断有效气候反馈参数,并用耦合的地球系统模式(大气模块与历史试验完全相同)来估算CO2四倍突变(abrupt4×CO2)后的平衡态气候反馈参数。大气环流模式的模拟结果显示,有效反馈参数在20世纪呈现出明显的多年代际变化,自1980年以后逐渐转变为强负反馈,这主要归因于赤道西太平洋变暖和赤道东太平洋变冷所产生的短波云负反馈。在abrupt4×CO2强迫下,所有耦合模式模拟的平衡态气候反馈参数都大于历史时期的有效反馈参数,α’的多模式平均值为+0.6 W·m-2·℃-1,模式间范围为+0.3～+1.0 W·m-2·℃-1。这一发现可以从以下事实来理解:在内部变率和强迫引起的瞬态响应的共同作用下,历史时期赤道上升区(例如赤道西太平洋)的海表升温相对较大,导致净的气候反馈为强烈的负反馈;但是未来预计赤道下沉区(例如赤道东太平洋)和高纬度地区的升温幅度最大,导致净的气候反馈为较弱的负反馈。

利用耦合的地球系统模式进行瞬变模拟可得到与Andrews et al.(2018)相似的结果。这些模拟预估得到的海表增温空间模态在初期都呈现出以下特征:在年代际时间尺度上,赤道西太平洋的增温速率相对较快;在百年时间尺度上,赤道东太平洋和南大洋的增温相对较大(Andrews et al.,2015;Proistosescu and Huybers,2017;Dong et al.,2020)。有研究基于CMIP5/6 地球系统模式利用1 %·a-1的CO2增量试验(即CO2浓度每年增加1%)或abrupt4×CO2试验的早期模拟结果(例如前50 a)来类比历史时期变暖,得到α’为+0.05 W·m-2·℃-1,模式间范围为-0.2～+0.3 W·m-2·℃-1(Armour,2017;Lewis and Curry,2018;Dong et al.,2020)。需要注意的是,这类研究只考虑了CO2强迫,但α’也可能与历史时期CO2以外的强迫有关,例如与对流层和平流层气溶胶相关的强迫。

尽管CMIP5/6大多数耦合的地球系统模式在瞬变模拟中得到的地表增温空间模态与abrupt4×CO2强迫下模拟得到的平衡态地表增温空间模态较为相似,但前者与历史时期地表增温空间模态的观测结果在关键区域(例如赤道太平洋和南大洋)有明显差异,这导致耦合模式得到的α’通常要小于大气环流模式在给定历史时期地表增温空间模态下的模拟结果。此外,气候系统内部变率也可能会影响历史时期的地表增温空间模态效应,进而影响历史时期有效反馈参数以及α’。Dessler et al.(2018)根据MPI-ESM1.1模式100个集合成员发现单由气候系统内部变率即可导致历史时期有效反馈参数产生0.5 W·m-2·℃-1的差别,进而导致α’产生相应的差别。综上,通过给定历史时期地表增温空间模态估算得到的α’可以更加真实地代表历史时期的空间模态效应,因为该方法考虑了观测记录所包含的气候系统对历史时期强迫的瞬态响应以及内部变率这两种因素的综合影响。

基于地球系统模式估算的α’一方面取决于CO2强迫下海表温度和海冰空间模态的模拟准确度,另一方面也取决于气候系统对这些空间模态的辐射响应。例如,地球系统模式对赤道太平洋冷舌区海表温度和相对湿度的模拟误差会影响长期地表增温空间模态,因而也会影响α’的估算结果。对于大气环流模式的模拟结果而言,α’也取决于计算历史时期有效气候反馈参数所需要给定的同期海表温度和海冰条件的准确度。历史记录中较早时期的海表温度记录的不确定性很大,对卫星时代之前海冰含量的约束也十分匮乏。有研究发现,利用大气环流模式估算得到的α’取决于选用的海表温度数据集(Lewis and Mauritsen,2021),这指明了大气环流模式估算历史时期有效气候反馈参数的一个主要不确定性来源,未来仍需对此进行系统性的探索。

虽然目前尚无针对空间模态效应量值的直接观测约束,但卫星观测结果显示,大气顶辐射通量变化与海表温度空间模态变化呈现出较强的协同性:在强对流上升区(例如西太平洋暖池)前者对后者有很强的依赖性(Loeb et al.,2018;Fueglistaler,2019)。利用地表增温空间模态的观测结果驱动大气环流模式来模拟云和大气顶辐射的响应可得到与卫星观测较为一致的结果(Zhou et al.,2016;Loeb et al.,2020)。这一观测和模拟证据说明自然界中潜在的空间模态效应非常强,只有当工业革命以来观测到的地表增温空间模态能够持续到平衡态时,该空间模态效应才可被忽略。然而,这是不可能的,因为地球尚处于瞬态增温的较早时期,且达到平衡态需要几千年时间。

基于古气候代用资料、地球系统模式模拟和物理过程理解,AR6认为赤道东太平洋(中等信度)和南大洋(高信度)将在百年时间尺度上出现强烈的变暖,因为CO2强迫引起的辐射响应将主要影响这些区域的温度变化;然而,这些特征在历史记录中基本没有出现,它们在21世纪出现的可能仅为低信度。由此可知,在CO2强迫驱动下,随着地表增温空间模态发生变化(即α’大于零),净的气候反馈强度将减弱(即气候反馈参数越来越接近正值;高信度),而该变化在21世纪出现的可能仅为低信度。需要特别指出的是,基于当前气候条件下地表增温空间模态和CO2强迫驱动下平衡态地表增温空间模态得到的α’在量级上仍存在很大的不确定性,这是因为目前仅能通过地球系统模式模拟来量化α’,而且历史时期海表温度空间模态的不确定性也会影响最终的模拟结果。

4 小结

未来地表增温空间模态随时间的演变对于根据气候变暖历史观测记录估算平衡态气候敏感度具有重要意义。如果CO2强迫引起的平衡态地表增温空间模态不同于历史观测记录或者古气候代用资料得出的地表增温空间模态,那么平衡态气候敏感度也将不同于上述时期的有效平衡态气候敏感度。考虑气候反馈对地表增温空间模态的依赖性有助于调和历史记录、其他证据以及气候模式得到的平衡态气候敏感度之间的差异。

AR6基于物理过程理解给出净的气候反馈参数的最优估计为-1.16 W·m-2·℃-1,但该结果并未明确考虑地表增温空间模态对气候反馈的影响。尽管两极之间气候反馈和海洋热吸收的差异导致北极地表增温速度大于南极地区,但两极的地表变暖最终都将被放大(高信度)。21世纪北极地表变暖的速度将继续超过全球平均水平(高信度)。在百年时间尺度上,赤道东太平洋(中等信度)和南大洋(高信度)都将出现强烈的变暖。最新的研究表示,极地放大效应(尤其是南半球)和热带太平洋东-西向海表温度梯度随时间的变化是影响未来气候反馈如何演变的关键因素。AR6认为,在CO2强迫驱动下,随着地表增温空间模态的演变,气候反馈预计将逐渐增加(高信度),但该变化在21世纪出现的可能仅为低信度。目前,地球系统模式和大气环流模式被广泛用于估算地表增温空间模态对气候反馈强度的影响,但模拟结果仍存在很大的不确定性。如何准确模拟海温和海冰的空间模态以及这些空间模态引起的气候响应是未来模式研究工作的重点。对历史时期海温和海冰的数据集进行有效的约束也有助于获得更加准确的空间模态效应估算。