气候反馈的式样效应对辐射能量闭合和气候预测的影响

在传统的地球气候系统辐射能量闭合研究中，只考虑了有效辐射强迫、线性气候反馈和地球净能量收支三者之间的闭合关系。然而，近期的研究成果表明，气候反馈带来的辐射能量收支变化不仅仅与全球平均温度相关，还受海面温度水平分布变化的重要影响。当热带气流上升区域海温增加时，整个热带地区对流层上层的水汽含量和温度显著增加，导致中低纬低云覆盖区域的静力稳定度增加，产生更多的低云，相应的辐射变化对地球气候系统产生较强的冷却作用；而热带气流下沉区域和中高纬地区的海温增加所引起的对流层增温效应和低云的变化基本被限制在局地，对地球气候系统的冷却作用较弱。由于海温的水平分布在图形上往往表现为各种式样，所以海温水平分布的变化所产生的大气层顶辐射能量收支变化被称为“式样效应”(pattern effect)。

本研究以工业革命前的水平为基准，将IPCC AR5估算的有效辐射强迫、基于abrupt4xCO2实验的全球平均温度对应的净辐射变化和AMIP-piforcing实验中式样效应对应的净辐射变化进行累加，计算得到的大气层顶净辐射的年际变化和多年平均值都与两组卫星观测产品高度一致；如果忽略式样效应，得到的大气层顶净辐射与CERES则有较大的偏差，这意味着式样效应对地球系统的能量闭合至关重要，而式样效应的引入必将显著影响未来气候的预测。  

如果不考虑式样效应的影响，假设大气中的气体浓度在未来保持不变（即达到碳中和的目标），那么全球平均温度在遥远的未来会比工业革命前高 1.31 度 (0.99-2.33, 5-95%置信区间)，最优估值低于巴黎气候协定的目标，这与前人的估值基本是一致的；而如果考虑式样效应的影响，那这个升温幅度的最优估值将会上升到超过2度，高于巴黎气候协定的目标，这一变化将极大地压缩未来碳排放空间。另一方面，由于不同海温数据库中海面温度水平分布变化有一定的差异，因此减少海面温度水平分布变化的不确定性有助于提升未来气候预测的精度。

该研究于2021年1月4日发表在《自然-气候变化》上，来自南京大学大气科学学院的周晨副教授、汪名怀教授、来自美国研究机构的Zelinka博士和Dessler教授是该论文的合作作者，南京大学是论文标注的第一单位。该项目得到了国家自然科学基金的资助，相关的数值模拟计算都在南京大学高性能计算中心的平台上进行。 （文/南京大学）