王菲,張華*,劉夢(mèng)婷,于曉超,趙樹云

自政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)發(fā)布以來,國(guó)內(nèi)學(xué)者陸續(xù)對(duì)報(bào)告進(jìn)行了全面解讀(姜大膀和王曉欣,2021;廖宏等,2021;孫穎,2021;張華等,2021;趙樹云等,2021;周波濤,2021;姜彤等,2022;蘇布達(dá)等,2022;譚紅建等,2022)。其中,張華等(2021)簡(jiǎn)要解讀了第一工作組(WGI)報(bào)告第七章(Forster et al.,2021)有關(guān)地球輻射收支、氣候反饋和氣候敏感度的主要結(jié)論,趙樹云等(2021)詳細(xì)解讀了地球系統(tǒng)中的多種氣候反饋機(jī)制。需要指出的是,張華等(2021)和趙樹云等(2021)有關(guān)氣候反饋的討論都是基于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)框架ΔN=ΔF+αΔT,其中ΔN和ΔT分別表示大氣頂凈輻射通量的變化和地表氣溫的變化,ΔF表示有效輻射強(qiáng)迫,α表示氣候反饋參數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)框架假設(shè)氣候反饋強(qiáng)度α固定不變。但在實(shí)際大氣中,ΔN和ΔT之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,地表增溫空間模態(tài)隨時(shí)間的演變會(huì)影響氣候反饋強(qiáng)度,這意味著氣候反饋參數(shù)并不是一個(gè)固定的量(Andrews et al.,2015)。張華等(2021)和趙樹云等(2021)并未介紹地表增溫空間模態(tài)及其對(duì)氣候反饋的影響,因此,本文在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步解讀了氣候反饋對(duì)溫度空間模態(tài)的依賴性。自AR5以來,氣候?qū)W界在理解氣候反饋對(duì)時(shí)間依賴性的關(guān)鍵機(jī)制方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。從歷史時(shí)期和未來預(yù)測(cè)的對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn),地表增溫空間模態(tài)隨時(shí)間的演變導(dǎo)致氣候反饋具有明顯的時(shí)間依賴性,而地表增溫空間模態(tài)與緯向、經(jīng)向溫度梯度的變化有關(guān)。

19世紀(jì)以來的觀測(cè)資料和氣候模式模擬都表明,地表氣溫增加的大尺度空間模態(tài)具備幾個(gè)共同特征。例如,北極地區(qū)地表升溫幅度遠(yuǎn)大于全球平均水平,也大于南半球高緯度地區(qū);陸面氣溫增加速率通常大于海洋表面。但是,觀測(cè)和模式模擬之間也存在一些明顯差異。地球系統(tǒng)模式模擬結(jié)果顯示,赤道太平洋東部地區(qū)的變暖幅度大于西部地區(qū),導(dǎo)致赤道太平洋東-西向海溫梯度在多年代際至百年的時(shí)間尺度上普遍呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。但是觀測(cè)資料并未體現(xiàn)赤道太平洋東-西向海溫梯度的減小趨勢(shì)。

本文對(duì)AR6第七章有關(guān)氣候反饋對(duì)溫度空間模態(tài)依賴性的內(nèi)容做扼要解讀,主要介紹了兩種普遍存在的地表溫度變化空間模態(tài):極地放大效應(yīng)和熱帶太平洋東-西向海表溫度梯度,以及氣候反饋瞬態(tài)變化與地表溫度變化空間模態(tài)演變之間的關(guān)聯(lián)。

1 極地放大效應(yīng)

極地放大是指在輻射強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下,高緯度地區(qū)地表升溫幅度超過全球平均水平的現(xiàn)象。極地放大效應(yīng)通常定義為極地地表增溫與全球平均地表增溫的比值。歷史觀測(cè)記錄和氣候模式模擬都證實(shí)了北極放大現(xiàn)象(Holland and Bitz,2003;Bekryaev et al.,2010;Pithan and Mauritsen,2014),但南極地區(qū)的地表增溫幅度小于北極地區(qū)(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,極地放大現(xiàn)象主要由向極地潛熱能輸送的增強(qiáng)引起。隨著全球變暖,熱帶地區(qū)的水汽增加幅度大于兩極地區(qū)(符合克勞修斯-克拉伯龍定律),赤道與極地間水汽梯度的增加導(dǎo)致中緯度地區(qū)向極地輸送的潛熱能增加。向極地潛熱能輸送的變化可以促進(jìn)極地放大效應(yīng),并抑制熱帶放大效應(yīng)。極地增溫幅度大于熱帶地區(qū),赤道與極地間溫度梯度減弱,導(dǎo)致向極地干靜力能輸送減少,進(jìn)而部分抵消了向極地潛熱能輸送的增加。大氣再分析資料和地球系統(tǒng)模式都證實(shí)了向極地潛熱能輸送對(duì)極地放大效應(yīng)的重要貢獻(xiàn)。除向極地?zé)彷斔鸵酝?極地氣候反饋(主要是地表反照率反饋和大氣溫度直減率反饋)可以增強(qiáng)極地放大效應(yīng)的強(qiáng)度。在全球變暖條件下,極地海冰消退和積雪融化導(dǎo)致地表反照率反饋為正反饋。極地穩(wěn)定的大氣層結(jié)條件導(dǎo)致大氣變暖被限制在對(duì)流層低層,因而出射輻射減弱,大氣溫度直減率反饋為正反饋。極地氣候反饋可以放大極地變暖,并進(jìn)一步減小向極地干靜力能輸送。

能量收支分析(圖1;Feldl and Roe,2013;Pithan and Mauritsen,2014;Goosse et al.,2018;Stuecker et al.,2018)顯示,熱帶地區(qū)的CO2有效輻射強(qiáng)迫大于極地地區(qū),但極地氣候反饋和向極地潛熱能輸送導(dǎo)致極地升溫幅度大于熱帶地區(qū)。在溫室氣體強(qiáng)迫的驅(qū)動(dòng)下,北極地區(qū)地表升溫幅度大于南極地區(qū),該現(xiàn)象可用兩個(gè)主要過程來解釋。第一個(gè)過程是南大洋的海表熱吸收(圖1d),即尚未受到輻射強(qiáng)迫影響的深層海水上涌導(dǎo)致南大洋出現(xiàn)強(qiáng)烈的海表熱吸收,向北流動(dòng)的表層海水將吸收的熱量帶離南極洲。隨著全球變暖,北大西洋亞極地也出現(xiàn)了強(qiáng)烈的海表熱吸收,這些熱量部分輸送到北極地區(qū),最終導(dǎo)致進(jìn)入北極大氣的熱通量增加(圖1b)。造成北極和南極變暖差異的第二個(gè)主要過程是氣候反饋在兩極之間的不對(duì)稱性,這主要體現(xiàn)為南極地區(qū)的大氣溫度直減率反饋和地表反照率反饋較弱,且云負(fù)反饋較強(qiáng)(圖1)。然而,需要注意的是,地球系統(tǒng)模式對(duì)混合相云的處理可能存在偏差,因此南半球云反饋存在不確定性(Hyder et al.,2018)。在北極地區(qū),強(qiáng)烈的大氣逆溫層導(dǎo)致大氣溫度直減率反饋為強(qiáng)烈的正反饋;而南極的冰蓋厚度導(dǎo)致大氣逆溫層較淺且逆溫強(qiáng)度較弱,因此大氣溫度直減率反饋較弱。地球系統(tǒng)模式模擬結(jié)果顯示在CO2強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下,南極和北極都存在極地放大效應(yīng),但南極的升溫幅度總體上要小于北極(Li et al.,2013;Yoshimori et al.,2017)。

圖1 CMIP6地球系統(tǒng)模式abrupt4×CO2試驗(yàn)第一百年時(shí)全球近地表氣溫的變化(a)，以及有效輻射強(qiáng)迫、海洋熱吸收、大氣熱輸送和氣候反饋對(duì)北極變暖(b)、熱帶變暖(c)和南極變暖(d)的貢獻(xiàn)

古氣候代用資料為過去強(qiáng)迫造成的地表增溫大尺度空間模態(tài)提供了觀測(cè)證據(jù),可用于評(píng)估模式對(duì)這類強(qiáng)迫引起的地表溫度響應(yīng)的模擬效果,也為極地放大效應(yīng)的長(zhǎng)期變化提供了證據(jù)。自AR5以來,古氣候溫度代用資料的準(zhǔn)確度已經(jīng)有所提高。與AR5時(shí)期相比,氣候模式準(zhǔn)確模擬極地放大效應(yīng)的能力也有所提高。重建的古氣候代用資料證明末次盛冰期(Last Glacial Maximum,LGM)、中上新世暖期(Mid-Pliocene Warm Period,MPWP)和早始新世氣候適宜期(early Eocene climatic optimum,EECO)都存在極地放大現(xiàn)象(高信度),氣候模式的模擬結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論(Zhu et al.,2019;Haywood et al.,2020;Kageyama et al.,2021;Lunt et al.,2021)。

通過深入理解向極地潛熱能輸送和氣候反饋過程對(duì)極地變暖的影響、綜合比較氣候模式模擬、觀測(cè)證據(jù)和古氣候代用資料之間的一致性以及量化評(píng)估地球系統(tǒng)模式對(duì)過去氣候的模擬結(jié)果,AR6認(rèn)為在溫室氣體強(qiáng)迫下,南、北半球極地放大效應(yīng)是長(zhǎng)期氣候響應(yīng)的一個(gè)鮮明特征(高信度)。觀測(cè)結(jié)果顯示,北極增溫幅度高于全球平均水平。AR6認(rèn)為,在21世紀(jì),北極增溫幅度很可能大于全球平均水平(高信度)。

在儀器記錄時(shí)期,南大洋增溫速度較慢,甚至在1980年以來出現(xiàn)了冷卻現(xiàn)象。這可能是冰架融化導(dǎo)致表層海水淡化、臭氧損耗導(dǎo)致地表西風(fēng)帶增強(qiáng)以及海洋對(duì)流發(fā)生變化導(dǎo)致的。然而,古氣候代用資料和地球系統(tǒng)模式得到的平衡態(tài)地表增溫空間模態(tài)并沒有反映出南大洋的上述變化。AR6認(rèn)為,在輻射強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下,隨著氣候系統(tǒng)逐漸恢復(fù)平衡并且南大洋熱吸收逐漸減少,南半球高緯度地區(qū)在百年時(shí)間尺度上的增溫要強(qiáng)于熱帶地區(qū)(高信度),但該特征在21世紀(jì)出現(xiàn)的可能僅為低信度。

2 熱帶太平洋海表溫度梯度

在溫室氣體強(qiáng)迫的驅(qū)動(dòng)下,地球系統(tǒng)模式模擬的氣候響應(yīng)在百年以及更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上存在一個(gè)共同特征:赤道太平洋東部的變暖幅度大于西部,導(dǎo)致太平洋東-西向海表溫度梯度減弱。多個(gè)因素導(dǎo)致了這種空間模態(tài)。東太平洋冷舌區(qū)域的氣候態(tài)溫度較低、蒸發(fā)衰減較弱,因此在大氣環(huán)流或海洋環(huán)流不發(fā)生任何變化的情況下,該區(qū)域受強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)會(huì)出現(xiàn)更強(qiáng)的增溫,導(dǎo)致赤道東西太平洋的海表溫差減小。耦合了混合層海洋的地球系統(tǒng)模式顯示,海溫梯度的減小與變暖引起的飽和比濕變化速率有關(guān),這符合克勞修斯-克拉伯龍定律(Merlis and Schneider,2011)。另外,低云反饋的梯度也可能導(dǎo)致赤道太平洋東部變暖。在耦合氣候系統(tǒng)中,大氣環(huán)流和海洋環(huán)流的變化也會(huì)影響熱帶太平洋東-西向海溫梯度。隨著全球氣溫升高以及赤道太平洋東-西向溫度梯度減小,東-西向海平面氣壓梯度和東信風(fēng)(表征沃克環(huán)流)也將減弱。受此影響,赤道東太平洋上涌冷海水減少,同時(shí)向赤道西太平洋和印度洋輸送的暖流減少,這反過來又會(huì)進(jìn)一步減小東-西向溫度梯度。此外,自AR5以來的研究建立在一個(gè)早期理論上,即東-西向溫度梯度與南-北向溫度梯度有關(guān)(Liu and Huang,1997;Barreiro and Philander,2008)。特別地,模式模擬顯示,極地放大效應(yīng)使得熱帶以外地區(qū)下沉海水的溫度升高,而這些海水反過來又在東太平洋上涌。因此,在年代際至百年時(shí)間尺度上,極地放大效應(yīng)預(yù)計(jì)將有助于減小赤道太平洋東-西向海表溫度梯度。

自1870年以來的觀測(cè)結(jié)果顯示,熱帶西太平洋海表溫度升高,而熱帶東太平洋海表溫度變化較小。自1980年左右,赤道西太平洋強(qiáng)烈變暖而東太平洋強(qiáng)烈變冷,同時(shí)赤道地表東信風(fēng)和沃克環(huán)流增強(qiáng),導(dǎo)致赤道太平洋東-西向溫度梯度增強(qiáng)(England et al.,2014)。這種溫度空間模態(tài)也體現(xiàn)在自1993年以來衛(wèi)星觀測(cè)到的海洋熱含量趨勢(shì)和海平面變化上(Bilbao et al.,2015;Richter et al.,2020)。這些觀測(cè)到的變化可能會(huì)受到一個(gè)或多個(gè)臨時(shí)因素的影響,包括硫酸鹽氣溶膠強(qiáng)迫、印度洋-太平洋的內(nèi)部變率、熱帶大西洋海表溫度多年代際趨勢(shì)遙相關(guān)、南大洋海表溫度多年代際趨勢(shì)遙相關(guān)以及減緩赤道東太平洋變暖的海氣耦合動(dòng)力條件等。與歷史觀測(cè)資料相比,CMIP3和CMIP5地球系統(tǒng)模式難以重現(xiàn)沃克環(huán)流和太平洋海表溫度趨勢(shì)(Sohn et al.,2013;Zhou et al.,2016;Coats and Karnauskas,2017)。這一困難也許能歸因于模式缺陷,例如,模式難以模擬太平洋海表溫度多年代際變率、模式對(duì)平均氣候狀態(tài)的模擬偏差影響了氣候響應(yīng)或大西洋與太平洋之間的關(guān)聯(lián),以及模式可能錯(cuò)誤地模擬了輻射強(qiáng)迫等。然而,太平洋海表溫度趨勢(shì)的觀測(cè)結(jié)果仍然在 CMIP5 和 CMIP6 模式大量初始場(chǎng)集合模擬的內(nèi)部變率范圍內(nèi)(Olonscheck et al.,2020;Watanabe et al.,2021)。目前,導(dǎo)致赤道太平洋溫度梯度和沃克環(huán)流趨勢(shì)的原因尚未得到充分理解,AR6認(rèn)為這類變化可能歸因于人為影響(低信度),也可能歸因于內(nèi)部變率(中等信度)。

AR5基于古氣候代用資料發(fā)現(xiàn)在中上新世暖期(MPWP),赤道太平洋東-西向海表溫度梯度減小(Masson-Delmotte et al.,2013)。自AR5起,海溫記錄資料得以擴(kuò)充,包括對(duì)暖池的估算中加入了中國(guó)南海站點(diǎn)的海溫重建結(jié)果以及對(duì)冷舌的估算中加入了東太平洋幾處新站點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果(O’Brien et al.,2014;Zhang et al.,2014;Fedorov et al.,2015),更新后的海溫記錄使海溫梯度估計(jì)值得以訂正?；谥猩闲率琅?MPWP)的古氣候代用資料和地球系統(tǒng)模式模擬、過程理解以及地球系統(tǒng)模式對(duì)CO2強(qiáng)迫下的氣候響應(yīng)預(yù)測(cè),AR6認(rèn)為CO2濃度升高引起的平衡態(tài)地表增溫模態(tài)將表現(xiàn)為熱帶太平洋東-西向海溫梯度減小(中等信度)。

總體而言,儀器記錄時(shí)期觀測(cè)到的地表增溫空間模態(tài)(即熱帶東太平洋存在變暖最小值)不同于中上新世暖期(MPWP)代用資料或地球系統(tǒng)模式得到的平衡態(tài)地表增溫空間模態(tài)。AR6認(rèn)為,觀測(cè)到的東-西向海溫梯度增強(qiáng)只是暫時(shí)現(xiàn)象,在百年時(shí)間尺度上海溫梯度的增強(qiáng)將轉(zhuǎn)變?yōu)闇p弱(中等信度)。然而,相關(guān)研究對(duì)于東-西向海溫梯度增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)因素以及這些因素在未來將如何演變分歧較大,因此,AR6認(rèn)為海溫梯度轉(zhuǎn)變?cè)?1世紀(jì)出現(xiàn)的可能僅為低信度。

3 氣候反饋對(duì)溫度空間模態(tài)的依賴性

溫度的“空間模態(tài)效應(yīng)”(Stevens et al.,2016)通常指海表溫度的不均勻空間分布,這類分布可能由氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率或外強(qiáng)迫所致。即使在全球平均地表溫度不變的情況下,地表溫度空間模態(tài)的變化也會(huì)導(dǎo)致全球大氣頂能量收支發(fā)生變化,這說明地表增溫空間模態(tài)會(huì)影響全球氣候反饋。自AR5以來的新研究已經(jīng)加深了學(xué)界對(duì)于海表溫度空間模態(tài)演變?cè)隍?qū)動(dòng)氣候反饋?zhàn)兓凶饔玫睦斫?Andrews and Webb,2018;Marvel et al.,2018;Silvers et al.,2018;Dong et al.,2019,2020)。

對(duì)地表增溫空間模態(tài)最為敏感的輻射變化與低云以及對(duì)流層溫度廓線有關(guān)(Ceppi and Gregory,2017;Zhou et al.,2017;Andrews et al.,2018;Dong et al.,2019)。其中,低云會(huì)影響全球反照率,對(duì)流層溫度廓線會(huì)影響地氣系統(tǒng)向外空發(fā)射的熱輻射。深對(duì)流上升區(qū)(例如西太平洋暖池)的海表溫度控制熱帶自由對(duì)流層溫度,隨之也通過影響下沉區(qū)(例如東太平洋冷舌)邊界層上部的逆溫層強(qiáng)度(即對(duì)流層低層穩(wěn)定度)來影響低云。因此,上升區(qū)的地表增溫可以使自由對(duì)流層變暖,導(dǎo)致地氣系統(tǒng)向外空發(fā)射的熱輻射增加;同時(shí)可以增強(qiáng)下沉區(qū)對(duì)流層低層逆溫強(qiáng)度使低云量增加,導(dǎo)致地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射減少。與之相反,下沉區(qū)的地表增溫則優(yōu)先使邊界層變暖,促進(jìn)其與干燥的自由對(duì)流層發(fā)生對(duì)流混合、減少低云量,進(jìn)而導(dǎo)致地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射增加,而向外空發(fā)射的熱輻射的變化較小。因此,熱帶上升區(qū)變暖導(dǎo)致大氣溫度直減率反饋和云反饋均為負(fù)反饋,而熱帶下沉區(qū)變暖則導(dǎo)致大氣溫度直減率反饋和云反饋均為正反饋。在中、高緯度地區(qū),地表增溫產(chǎn)生的輻射響應(yīng)比較弱,因?yàn)闊彷椛涞淖兓?普朗克反饋和大氣溫度直減率反饋)與吸收太陽輻射的變化(短波云反饋和地表反照率反饋)會(huì)相互抵消。然而,在變暖較強(qiáng)的情況下,由于短波云負(fù)反饋較弱,上述抵消作用也可能減弱。

自1870年以來,赤道東太平洋和南大洋等關(guān)鍵區(qū)域的海溫變化較小。但是,自1980年之后,這些區(qū)域的海溫明顯降低,同時(shí),赤道下沉區(qū)逆溫層強(qiáng)度增加,導(dǎo)致赤道東太平洋低云量增加,這與觀測(cè)一致(Zhou et al.,2016;Ceppi and Gregory,2017;Fueglistaler and Silvers,2021)。因此,盡管全球地表氣溫在升高,但赤道低云量在近幾十年卻有所增加,導(dǎo)致低云反饋為負(fù)反饋,這與CO2強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下平衡態(tài)地表增溫空間模態(tài)產(chǎn)生的低云正反饋相反。

為探索地表增溫空間模態(tài)隨時(shí)間的演變對(duì)氣候反饋的影響,大量研究利用地球系統(tǒng)模式來估算歷史時(shí)期有效氣候反饋參數(shù)與CO2強(qiáng)迫下平衡態(tài)氣候反饋參數(shù)之間的差值(記為α’)。Andrews et al.(2018)利用歷史時(shí)期海溫和海冰空間分布的觀測(cè)結(jié)果驅(qū)動(dòng)地球系統(tǒng)模式的大氣模塊(即大氣環(huán)流模式)來診斷有效氣候反饋參數(shù),并用耦合的地球系統(tǒng)模式(大氣模塊與歷史試驗(yàn)完全相同)來估算CO2四倍突變(abrupt4×CO2)后的平衡態(tài)氣候反饋參數(shù)。大氣環(huán)流模式的模擬結(jié)果顯示,有效反饋參數(shù)在20世紀(jì)呈現(xiàn)出明顯的多年代際變化,自1980年以后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)負(fù)反饋,這主要?dú)w因于赤道西太平洋變暖和赤道東太平洋變冷所產(chǎn)生的短波云負(fù)反饋。在abrupt4×CO2強(qiáng)迫下,所有耦合模式模擬的平衡態(tài)氣候反饋參數(shù)都大于歷史時(shí)期的有效反饋參數(shù),α’的多模式平均值為+0.6 W·m-2·℃-1,模式間范圍為+0.3～+1.0 W·m-2·℃-1。這一發(fā)現(xiàn)可以從以下事實(shí)來理解:在內(nèi)部變率和強(qiáng)迫引起的瞬態(tài)響應(yīng)的共同作用下,歷史時(shí)期赤道上升區(qū)(例如赤道西太平洋)的海表升溫相對(duì)較大,導(dǎo)致凈的氣候反饋為強(qiáng)烈的負(fù)反饋;但是未來預(yù)計(jì)赤道下沉區(qū)(例如赤道東太平洋)和高緯度地區(qū)的升溫幅度最大,導(dǎo)致凈的氣候反饋為較弱的負(fù)反饋。

利用耦合的地球系統(tǒng)模式進(jìn)行瞬變模擬可得到與Andrews et al.(2018)相似的結(jié)果。這些模擬預(yù)估得到的海表增溫空間模態(tài)在初期都呈現(xiàn)出以下特征:在年代際時(shí)間尺度上,赤道西太平洋的增溫速率相對(duì)較快;在百年時(shí)間尺度上,赤道東太平洋和南大洋的增溫相對(duì)較大(Andrews et al.,2015;Proistosescu and Huybers,2017;Dong et al.,2020)。有研究基于CMIP5/6 地球系統(tǒng)模式利用1 %·a-1的CO2增量試驗(yàn)(即CO2濃度每年增加1%)或abrupt4×CO2試驗(yàn)的早期模擬結(jié)果(例如前50 a)來類比歷史時(shí)期變暖,得到α’為+0.05 W·m-2·℃-1,模式間范圍為-0.2～+0.3 W·m-2·℃-1(Armour,2017;Lewis and Curry,2018;Dong et al.,2020)。需要注意的是,這類研究只考慮了CO2強(qiáng)迫,但α’也可能與歷史時(shí)期CO2以外的強(qiáng)迫有關(guān),例如與對(duì)流層和平流層氣溶膠相關(guān)的強(qiáng)迫。

盡管CMIP5/6大多數(shù)耦合的地球系統(tǒng)模式在瞬變模擬中得到的地表增溫空間模態(tài)與abrupt4×CO2強(qiáng)迫下模擬得到的平衡態(tài)地表增溫空間模態(tài)較為相似,但前者與歷史時(shí)期地表增溫空間模態(tài)的觀測(cè)結(jié)果在關(guān)鍵區(qū)域(例如赤道太平洋和南大洋)有明顯差異,這導(dǎo)致耦合模式得到的α’通常要小于大氣環(huán)流模式在給定歷史時(shí)期地表增溫空間模態(tài)下的模擬結(jié)果。此外,氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率也可能會(huì)影響歷史時(shí)期的地表增溫空間模態(tài)效應(yīng),進(jìn)而影響歷史時(shí)期有效反饋參數(shù)以及α’。Dessler et al.(2018)根據(jù)MPI-ESM1.1模式100個(gè)集合成員發(fā)現(xiàn)單由氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率即可導(dǎo)致歷史時(shí)期有效反饋參數(shù)產(chǎn)生0.5 W·m-2·℃-1的差別,進(jìn)而導(dǎo)致α’產(chǎn)生相應(yīng)的差別。綜上,通過給定歷史時(shí)期地表增溫空間模態(tài)估算得到的α’可以更加真實(shí)地代表歷史時(shí)期的空間模態(tài)效應(yīng),因?yàn)樵摲椒紤]了觀測(cè)記錄所包含的氣候系統(tǒng)對(duì)歷史時(shí)期強(qiáng)迫的瞬態(tài)響應(yīng)以及內(nèi)部變率這兩種因素的綜合影響。

基于地球系統(tǒng)模式估算的α’一方面取決于CO2強(qiáng)迫下海表溫度和海冰空間模態(tài)的模擬準(zhǔn)確度,另一方面也取決于氣候系統(tǒng)對(duì)這些空間模態(tài)的輻射響應(yīng)。例如,地球系統(tǒng)模式對(duì)赤道太平洋冷舌區(qū)海表溫度和相對(duì)濕度的模擬誤差會(huì)影響長(zhǎng)期地表增溫空間模態(tài),因而也會(huì)影響α’的估算結(jié)果。對(duì)于大氣環(huán)流模式的模擬結(jié)果而言,α’也取決于計(jì)算歷史時(shí)期有效氣候反饋參數(shù)所需要給定的同期海表溫度和海冰條件的準(zhǔn)確度。歷史記錄中較早時(shí)期的海表溫度記錄的不確定性很大,對(duì)衛(wèi)星時(shí)代之前海冰含量的約束也十分匱乏。有研究發(fā)現(xiàn),利用大氣環(huán)流模式估算得到的α’取決于選用的海表溫度數(shù)據(jù)集(Lewis and Mauritsen,2021),這指明了大氣環(huán)流模式估算歷史時(shí)期有效氣候反饋參數(shù)的一個(gè)主要不確定性來源,未來仍需對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)性的探索。

雖然目前尚無針對(duì)空間模態(tài)效應(yīng)量值的直接觀測(cè)約束,但衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果顯示,大氣頂輻射通量變化與海表溫度空間模態(tài)變化呈現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)同性:在強(qiáng)對(duì)流上升區(qū)(例如西太平洋暖池)前者對(duì)后者有很強(qiáng)的依賴性(Loeb et al.,2018;Fueglistaler,2019)。利用地表增溫空間模態(tài)的觀測(cè)結(jié)果驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流模式來模擬云和大氣頂輻射的響應(yīng)可得到與衛(wèi)星觀測(cè)較為一致的結(jié)果(Zhou et al.,2016;Loeb et al.,2020)。這一觀測(cè)和模擬證據(jù)說明自然界中潛在的空間模態(tài)效應(yīng)非常強(qiáng),只有當(dāng)工業(yè)革命以來觀測(cè)到的地表增溫空間模態(tài)能夠持續(xù)到平衡態(tài)時(shí),該空間模態(tài)效應(yīng)才可被忽略。然而,這是不可能的,因?yàn)榈厍蛏刑幱谒矐B(tài)增溫的較早時(shí)期,且達(dá)到平衡態(tài)需要幾千年時(shí)間。

基于古氣候代用資料、地球系統(tǒng)模式模擬和物理過程理解,AR6認(rèn)為赤道東太平洋(中等信度)和南大洋(高信度)將在百年時(shí)間尺度上出現(xiàn)強(qiáng)烈的變暖,因?yàn)镃O2強(qiáng)迫引起的輻射響應(yīng)將主要影響這些區(qū)域的溫度變化;然而,這些特征在歷史記錄中基本沒有出現(xiàn),它們?cè)?1世紀(jì)出現(xiàn)的可能僅為低信度。由此可知,在CO2強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下,隨著地表增溫空間模態(tài)發(fā)生變化(即α’大于零),凈的氣候反饋強(qiáng)度將減弱(即氣候反饋參數(shù)越來越接近正值;高信度),而該變化在21世紀(jì)出現(xiàn)的可能僅為低信度。需要特別指出的是,基于當(dāng)前氣候條件下地表增溫空間模態(tài)和CO2強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下平衡態(tài)地表增溫空間模態(tài)得到的α’在量級(jí)上仍存在很大的不確定性,這是因?yàn)槟壳皟H能通過地球系統(tǒng)模式模擬來量化α’,而且歷史時(shí)期海表溫度空間模態(tài)的不確定性也會(huì)影響最終的模擬結(jié)果。

4 小結(jié)

未來地表增溫空間模態(tài)隨時(shí)間的演變對(duì)于根據(jù)氣候變暖歷史觀測(cè)記錄估算平衡態(tài)氣候敏感度具有重要意義。如果CO2強(qiáng)迫引起的平衡態(tài)地表增溫空間模態(tài)不同于歷史觀測(cè)記錄或者古氣候代用資料得出的地表增溫空間模態(tài),那么平衡態(tài)氣候敏感度也將不同于上述時(shí)期的有效平衡態(tài)氣候敏感度?？紤]氣候反饋對(duì)地表增溫空間模態(tài)的依賴性有助于調(diào)和歷史記錄、其他證據(jù)以及氣候模式得到的平衡態(tài)氣候敏感度之間的差異。

AR6基于物理過程理解給出凈的氣候反饋參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)為-1.16 W·m-2·℃-1,但該結(jié)果并未明確考慮地表增溫空間模態(tài)對(duì)氣候反饋的影響。盡管兩極之間氣候反饋和海洋熱吸收的差異導(dǎo)致北極地表增溫速度大于南極地區(qū),但兩極的地表變暖最終都將被放大(高信度)。21世紀(jì)北極地表變暖的速度將繼續(xù)超過全球平均水平(高信度)。在百年時(shí)間尺度上,赤道東太平洋(中等信度)和南大洋(高信度)都將出現(xiàn)強(qiáng)烈的變暖。最新的研究表示,極地放大效應(yīng)(尤其是南半球)和熱帶太平洋東-西向海表溫度梯度隨時(shí)間的變化是影響未來氣候反饋如何演變的關(guān)鍵因素。AR6認(rèn)為,在CO2強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)下,隨著地表增溫空間模態(tài)的演變,氣候反饋預(yù)計(jì)將逐漸增加(高信度),但該變化在21世紀(jì)出現(xiàn)的可能僅為低信度。目前,地球系統(tǒng)模式和大氣環(huán)流模式被廣泛用于估算地表增溫空間模態(tài)對(duì)氣候反饋強(qiáng)度的影響,但模擬結(jié)果仍存在很大的不確定性。如何準(zhǔn)確模擬海溫和海冰的空間模態(tài)以及這些空間模態(tài)引起的氣候響應(yīng)是未來模式研究工作的重點(diǎn)。對(duì)歷史時(shí)期海溫和海冰的數(shù)據(jù)集進(jìn)行有效的約束也有助于獲得更加準(zhǔn)確的空間模態(tài)效應(yīng)估算。