科研研究

npj&EF& ERL: 二氧化碳移除的区域气候效应

发布时间:2024-02-18 来源:无 170

       为实现《巴黎协定》温升目标,减缓气候变化,我国于2019年提出了“碳达峰、碳中和”计划。之后,有150多个国家和地区也相继提出“碳中和”目标。科学界发现,碳中和目标的实现需要大气CO2浓度达峰后持续长期地下降,这需要借助CO2移除方法。在CO2上升期间,海洋充当热储存罐,不断向深层海洋传输热量,减缓全球增暖。然而,在CO2移除阶段后期,深层海洋储存的热量又开始向表层传输,抵消温室气体强迫减弱的降温效应,延迟全球地表温度的恢复。深海“放热”,是以往全球变暖阶段(CO2浓度持续增加)没有出现的现象。正确认识并理解CO2移除带来的气候影响,对气候缓解政策及路径的制定具有重要意义。但是,科学界目前对CO2移除阶段区域气候响应的认识,仍有许多不足。

  为此,中国科学院大气物理研究所黄刚课题组成员基于CMIP6 CO2移除模式比较计划(CDRMIP)中理想化的CO2移除试验(1pctCO2+1pctCO2-cdr,大气CO2浓度以每年1%的速度增加到工业革命前水平的4倍,之后对称地下降,直至恢复到工业革命前水平),开展了相关研究,已初步取得如下成果。

  1.CO2移除情景下,印度夏季风降水将出现过度恢复:当CO2浓度恢复到工业革命前水平时,印度地区降水偏少、呈现异常干旱(图1)。其直接原因是减弱的垂直运动和季风环流,根本原因是类厄尔尼诺型海温异常增暖(图2)。在CO2移除作用下,相比于同CO2浓度的上升阶段,与气候反馈相关的全球增暖过程减弱了热带太平洋表层和深层海洋的层结,不利于东太平洋气候态上翻流的冷却效应,导致赤道中东太平洋出现类厄尔尼诺型增暖变化。该增暖型削弱了Walker环流,抑制了印度地区的上升运动;同时,上述Walker环流的削弱,使得海洋性大陆和赤道西印度洋地区的降水出现异常,并释放凝结潜热激发出赤道波动响应,不利于印度夏季风的水汽输送和水汽辐合。

  2.CO2移除情景下,印度夏季风爆发将会推迟(图3),显著滞后于CO2浓度变化的气候系统慢响应为主要原因(图4)。气候系统的慢响应表现为强的海洋增暖,在CO2移除作用下,慢响应显著加强。这一加强的慢响应,将通过增强气候态向极的近表面湿静力能对比,减弱季风环流导致季风爆发推迟。气候系统的慢响应包含SST的均一变化以及SST空间分布变化引起的过程,进一步分析发现,这SST的两种变化都会通过减弱季风环流推迟季风爆发,但后者的作用更强。

  3.CO2移除情景下,亚马逊雨季降水出现减少、不可恢复(图5),它由减弱的气候态的上升运动引起(图6)。通过湿静力能收支分析发现,上升运动的减弱主要由两个过程引起:(1)热带地区增强的对流层增暖和大气边界层变湿,产生了强的温度和比湿的经向梯度,在气候态东北风的驱动下,亚马逊有负的湿焓平流,从而削弱气候态的上升运动。(2)大气柱的辐射冷却增强。在负的逆温反馈的驱动下,晴空大气的向外长波辐射通量增加。为了维持大气柱的能量平衡,产生了异常的下沉运动。在两者的共同作用下,导致全球变暖情景下亚马逊雨季减弱的降水不可恢复。

  该系列成果发表于《npj Climate and Atmospheric Science》、《Earth’s Future》、和《Environmental Research Letters》。论文第一作者为中国科学院大气物理研究所博士生张苏芹,通讯作者为屈侠副研究员和黄刚研究员;合作者包括云南大学的胡鹏副教授,中科院大气所的汪亚博士、周士杰副研究员、武亮研究员,华中农业大学的杨显轲副教授。研究主要由国家自然科学基金(42141019,42175055,41831175和42261144687),青藏高原第二次科考项目(2019QZKK0102),以及南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室和气象灾害预报预警与评估协同创新中心开放课题(KLME202111)共同资助。

  论文信息:

  1. Zhang S, Qu X*, Huang G*, Hu P. 2023. Asymmetric response of South Asian summer monsoon rainfall in a carbon dioxide removal scenario. npj Climate and Atmospheric Science. 6, 10, doi.org/10.1038/s41612-023-00338-x. 

  2. Zhang S, Qu X*, Huang G*, Hu P, Zhou S, Wu L. 2024. Delayed Onset of Indian Summer Monsoon in Response to CO2 Removal. Earth’s Future.12, e2023EF004039. https://doi.org/10.1029/2023EF004039.

  3. Zhang S, Qu X*, Huang G*, Hu P, Yang X, Wang Y, Wu L. 2024. Resilience of Amazon rainfall to CO2removal forcing. Environmental Research Letters. 19, 014073. doi.org/10.1088/1748-9326/ad193d.

图1.印度夏季风降水(红色)对CO2移除试验(1pctCO2和1pctCO2-cdr,蓝色)的响应,粉色阴影是模式间不确定性。

图2.CO2移除情景下印度夏季风降水过度恢复响应的关键过程示意图。

图3. (a)CO2移除情景下印度夏季风爆发时间(红线)响应的时间序列及其21年滑动平均(橙线)。灰色阴影表示相同CO2浓度的两个时间段(RU:1-30;RD:251-279)。垂直虚线表示CO2达峰年份。(b)各模式与集合平均MME在RU与RD阶段印度夏季风爆发响应时间。误差棒表示模式间不确定性。(c)RU和RD阶段MME平均爆发时间的蒙特卡洛模拟。(d)RD与RU阶段6月平均降水和850 hPa风场的之差

图4. (a)CO2移除情景下快响应(橙线)和慢响应(绿线)对全球平均地表温度变化(红线)的贡献。蓝线表示上述时间尺度分解的残差。RU和RD期间快(b)、慢(c)地表温度和850 hPa风速响应的差异。(d)是 (b)和(c)的总和。(e)CO2移除试验中RU和RD期间地表温度和850 hPa风场响应的差异。(d)的右上角显示了(d)和(e)之间地表增温的空间相关系数。

  图5. CO2移除情景下亚马逊雨季降水响应的时间序列和空间分布。(a)大气CO2浓度(蓝色,-1 ppm)和21年滑动的异常降水(红色)时间序列。垂直虚线为CO2达峰的年份。粉色阴影表示模式间不确定性。垂直灰色阴影表示选取的两个等CO2浓度的时间段(RU:1-40; RD:240-279)。(b)和(c)分别是RU和RD阶段降水相较于气候态的异常。打点区域通过75%的符号一致性检验。(d)是(b)与(c)之差。打点区域通过符号一致性检验和均值差异的90%显著性检验。

图6. 亚马逊地区湿静力能收支项在RD与RU两阶段的差异。h =CpT+Lvq+Φ表示湿静力能,k = CpT+Lvq表示湿焓。


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