Biogeophysical反馈和气候的动力raybet雷竞技最新

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图1减少中期沙漠从今天的气候raybet雷竞技最新全新世气候raybet雷竞技最新模拟的模型(a) Texier ct。(1997), (b) Kutzbach et al。(1996),和(c) Claussen盖勒(1997)。(a, c)被修改的deNoblet et al .(2000)和(b)与修改Kutzbach et al。(1996)。

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图1减少沙漠从今天的气候mid-Holocene气候模拟的模型(a) Texier ct。(raybet雷竞技最新1997), (b) Kutzbach et al。(1996),和(c) Claussen盖勒(1997)。(a, c)被修改的deNoblet et al .(2000)和(b)与修改Kutzbach et al。(1996)。

在耦合模型硕士。事实证明,耦合过程影响的结果之间的差异略微atmosphere-biome耦合模型。因此deNoblet et al。(2000)得出的差异在北非绿化不能归因于耦合过程;它可以追溯到不同表征大气环流的热带地区。Claussen大气模型和盖勒(1997)有些高估了北非季风的持续时间,而另一模型Texier et al .(1997)产生一个不切实际的近地表压力分布,因此,纬向环流。作者证明为什么产生一个不切实际的一个模型干旱的气候raybet雷竞技最新他们“相信”更多的其他模型的存在强烈biogeophysical反馈在北非。但是他们不能证明后者模型是完全值得信赖的。因此这个问题当然需要进一步考虑。

第二个参数丢失的交互与海洋的担忧。因此,Kutzbach和刘(1997)提供了模拟使用一个异步和部分耦合模型硕士(没有淡水通量,没有动态海冰模式)。他们发现北非季风降水的增加的结果增加了SST在夏末将模型与古近协议数据。同样,休伊特和米切尔(1998),使用一个完全耦合模型,硕士在北非观察增加降水,但仍然没有数据显示一样强烈。他们认为失踪的生物圈的反馈他们的模型引起的“失败”。Ganopolski et al. (1998) have readdressed this issue using a coupled atmosphere-vegetation-ocean model in different combinations (as atmosphere-only model, atmosphere-vegetation model, atmosphere-ocean model, and fully coupled model). They conclude that in the subtropics, the biospheric feedback dominates (Fig. 2) while the synergism between this feedback and an increase in monsoon precipitation owing to increased SST adds only little.

Ganopolski et al .(1998)的模型是唯一的“真正”的气候模型根据政府间气候变化专门委员会的定义raybet雷竞技最新,因为它包括所有组件描述mid-Holocene气候相关的气候系统。但是,它有一个相当粗糙的水平分辨率。因此一定的结果,一个人必须确认这些结果是独立模型的分辨率。

3所示。多重平衡

作为气候系统的组件之间的交互是非线性的,有人可能认为多个平衡解决方案。raybet雷竞技最新Gut-man et al。(1984)和古特曼(1984、1985)发现只有独一无二的,纬向平均模型的稳态解。(实际上,他们认为他们的结果是“试探性的,仅仅作为一个建议方法的例子,“因为简单的模型)。多重平衡的可能性在3-dimen-sional atmosphere-vegetation系统被Claussen后来发现(1994年),随后详细分析了由Claussen(1997、1998)现在的气候,即。raybet雷竞技最新,今天的日晒,风场。atmosphere-vegetation系统出现两种解决方案:干旱,现在的气候和潮湿的解决方案类似mid-Holocene气候,即。raybet雷竞技最新撒哈拉沙漠,比今天更环保,虽然不如在绿色mid-Holocene(图3)。

0 60 120 180 240 300 ATM +奥西

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0 60 120 180 240 300 ATM +奥西+蔬菜

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-0.9 -0.8 -0.4 -0.2 -0.1 -0.05 0.05图2减少沙漠从今天的气候mid-Holocene气候模拟Ganopolksi et al。(1raybet雷竞技最新998)。颜色标签指的差异(无量纲)部分覆盖的沙漠在今天和6000年之间现在之前。沙漠分数从获得的年平均降水量和温度诊断大气模式(ATM)和硕士模式(ATM +奥西)使用现在的陆地表面条件。沙漠分数预计从使用atmosphere-vegetation植被动态模型(ATM +蔬菜)和完全耦合模型(ATM +奥西+蔬菜)。

图3多重平衡计算为今天的气候(a)和(c)的气候最后的冰河时代。mid-Holocene条件,只有一个解(braybet雷竞技最新)。结果的摘要Claussen (1997) (a), Claussen和盖勒(1997)(b),和Kubatzki Claussen (1998) (c)。

图3多重平衡计算为今天的气候(a)和(c)的气候最后的冰河时代。mid-Holocene条件,只有一个解(braybet雷竞技最新)。结果的摘要Claussen (1997) (a), Claussen和盖勒(1997)(b),和Kubatzki Claussen (1998) (c)。

这两个解决方案的不同主要在非洲北部的亚热带地区,但仅略,在东亚中心。多重平衡的可能性在非洲西北部的atmosphere-vegetation系统最近被证实由小王和Eltahir(2000)和曾庆红和Neelin(2000)通过使用完全不同的热带大气模型和动态植被。

有趣的是,atmosphere-vegetation系统的稳定性似乎随时间变化:实验mid-Holocene植被产量只有一个解决方案,绿色撒哈拉沙漠(Claussen和盖勒,1997),同时存在两个方案在过去冰川最大高强)(Kubatzki Claussen, 1998)。

到目前为止,还没有在地球上其他地区的多重平衡可以大规模发展已确定李维斯et al。(1999)寻求多种解决方案在北半球高纬度atmosphere-vegetation-sea-ice系统。他们的模型收敛于一个解决方案在这个地区确凿的早些时候断言(Claussen, 1998),表现在亚热带多个解决方案,主要是在北非。

亚热带为什么我们发现多个解决方案,但是没有一个在高纬度,为什么今天和气候,但不是mid-Holocene气候?raybet雷竞技最新Claussen et al。(1998)分析大规模大气模式在现今,mid-Holocene, LGM气候。raybet雷竞技最新他们发现速度势的模式,这表明发散和收敛的大规模大气流动,干旱和潮湿的解决方案之间的差异主要在热带和亚热带地区。看来,哈德利-沃克环流稍微转向西方。这是符合恰尼(1975)的理论在亚热带albedo-induced沙漠化。此外,表面条件的变化直接影响垂直运动,从而大规模水平流动,在热带地区(Eltahir, 1996),但并不在中、高纬度地区(如洛夫格伦,1995 a, b)。mid-Holocene气候,大规模的大气raybet雷竞技最新流动已经接近潮湿的模式,即使一个规定今天的地表条件。这是由于日晒的差异:在mid-Holocene北方夏天,北半球收到40 W m ~ 2比现在更多的能量,从而加强非洲和亚洲夏季季风(Kutzbach Guetter, 1986)。LGM期间,日晒很接近现在的条件。

更加生态的解释多重平衡是由Brovkin et al . (1998)。他们开发一个在西撒哈拉vegetation-precipitation互动的概念模型应用于解释结果的综合模型。概念模型发现三个今天和LGM气候解决方案;raybet雷竞技最新然而,其中一个是极小扰动不稳定。潮湿的解决方案是不太可能比干旱的解决方案,这解释了的存在撒哈拉沙漠今天也不例外。mid-Holocene气候,只有raybet雷竞技最新一个解决方案。应用程序的概念模型bios-pheric反馈高纬度地区(李维斯et al ., 1999)收益率为当今的条件只有一个解决方案。

多重平衡只是atmosphere-vegetation系统,还是发生在atmosphere-ocean-vegetation系统?到目前为止,我们还没有发现多个解决方案的模型Ganopolski et al。(1998)。(模型达到多个解决方案的多个国家温盐对流)。我这个赤字归咎于粗分辨率模型,因为北非由三个网格框表示,撒哈拉沙漠,苏丹和热带北非。随后,

撒哈拉沙漠的降水量的粗糙模型Ganopolski et al .(1998)在陆地环境的变化不敏感比西方撒哈拉precitpitation Claussen所使用的模型中(1997,1998)。另一方面,Ganopolski et al .(1998)的研究表明,在北非biogeophysical反馈主要是vegetation-atmosphere反馈。因此,我认为我们的结论通常应该从耦合vegetation-atmosphere模型有效,即。,还vegetation-atmosphere-ocean模型(细水平分辨率)应该在北非地区表现出多重平衡。

4所示。瞬态交互

多重平衡的讨论似乎有些学术。然而,这些可以解释的存在突然转换植被结构(Claussen et al ., 1998;Brovkin et al ., 1998)。如果全球稳定变化在某种意义上,一个平衡的解决方案成为稳定的有限振幅扰动比别人少的钱,然后突然改变的系统不稳定的一个更稳定的平衡是可以预料的。Brovkin et al。(1998)在他们的概念模型,找到绿色的解决方案就会变得更不稳定约3.6 ka安塞记住,降水的变化是在潮湿的地区比在北非洲的干旱地区(例如,Eischeid et al ., 1991),人们会期望一个过渡大约6 - 4所示ka BP。

事实上,有证据表明,在北非mid-Holocene湿阶段结束大约5.0高-4.5 ka安塞即使在大陆东方撒哈拉的位置(Pachur Wtinnemann, 1996;Pachur•阿尔特曼,1997)。Petit-Maire和郭(1996)数据表明,过渡到现在的逐渐没有发生干旱的气候,但在两个步骤有两个干旱的时期,在6.7 - -5.5和4 - 3.6 ka安塞其他重建表明,淡水湖泊raybet雷竞技最新撒哈拉沙漠东部开始从5.7到4 ka b P消失。年底,当充电含水层停止湿相(Pachur Hoelzmann, 1991)。Pachur和

几年前出现

在撒哈拉地区的植被图4发展分数(整行,左纵坐标)变化的日晒北半球夏季北方(虚线,对协调)。年前的横坐标表示数量。图4是用修改Claussen et al。(1999)。

几年前出现

在撒哈拉地区的植被图4发展分数(整行,左纵坐标)变化的日晒北半球夏季北方(虚线,对协调)。年前的横坐标表示数量。图4是用修改Claussen et al。(1999)。

Hoelzmann(个人沟通)表明,气候变化在mid-Holocene更快的结束在西方比东方撒哈raybet雷竞技最新拉沙漠。事实上,杂志et al。(2000)报告的突然下降风成尘埃运输5500年前非洲西北部大西洋海岸。这个重建的假说是一致的多重平衡在西方,东方撒哈拉沙漠。

上面的论点是基于系统的研究或附近的一个平衡态。只有完全耦合、动态植被模型可以探索biogeophysical反馈的时间演化。Claussen et al。(1999)分析了瞬态结构在全球植被和气候模式使用耦合atmosphere-ocean-vegetation模型Ganopolski et al。(raybet雷竞技最新1998),但在一个动态植被模块。他们模拟清楚显示(不只是建议),轨道细微变化迫使触发北非气候的变化然后强烈放大biogeophysical反馈在这个地区。raybet雷竞技最新过渡的时机,开始在5.5 ka安塞模型中(图4),是由一个全球大气之间的相互作用,海洋,海冰和植被。相互作用是影响改变在热带SST bios-pheric之间的合作和海洋反馈,2.1节中提到的,大规模的经向温度梯度的影响。因此,突然desertification-abrupt相比,轨道力区域效应的微妙的变化。这取决于时间的,然而,在全球的过程。是否热带SST生物圈的反馈在北半球高纬度支配后者仍有待评估。

5。视角

使用耦合vegetation-climate生物圈的反馈模型的调查才刚刚开始。raybet雷竞技最新因此,得出一个结论,还为时过早,在它真正的意义上,总是意味着一些“关闭”。我nstead, I try to "open" this issue further.

到目前为止,它已经认识到,有biogeophysical反馈影响气候系统(全球)。raybet雷竞技最新然而,如前所述,理论分析biogeophysical反馈通常专注于合作而不是反馈。几个biogeophysical反馈的影响,包括他们的合作与其他,例如,海洋反馈,对气候系统是模拟不注意个人反馈的作用。raybet雷竞技最新为了说明这个问题,我简单回顾一下经典的反馈分析提供的,例如,施莱辛格(1988)和Peixoto和奥尔特(1992),他们的分析扩展到包括合作。

让我们假设气候系统的状态取决于外部强迫,E,如日晒和人为土地覆盖变化和内raybet雷竞技最新部流程/ /。任何外部强迫E将改变气候系统的状态定义的广泛的变量S因此S = G E, G是一个敏感性因素有时称为收益raybet雷竞技最新。没有任何反馈,系统的响应与反馈S0 = G0大肠,

图5在线性反馈分析示意图(A, b)及其扩展合作(c), G和G0代表系统的增益和没有任何反馈,分别。S系统的响应外部强迫e . H (i = 1, 2, 3)内部或反馈过程。Hi2和H2} H之间的协同过程,分别和H2和H2和H„修改输出H, S {i = 1、2、3)。S是非线性系统的响应。超过两个内部之间的合作过程中忽略了这个草图,(a)和(b)被修改Peixoto和奥尔特(1992)。

图5在线性反馈分析示意图(A, b)及其扩展合作(c), G和G0代表系统的增益和没有任何反馈,分别。S系统的响应外部强迫e . H (i = 1, 2, 3)内部或反馈过程。Hi2和H2} H之间的协同过程,分别和H2和H2和H„修改输出H, S {i = 1、2、3)。S是非线性系统的响应。超过两个内部之间的合作过程中忽略了这个草图,(a)和(b)被修改Peixoto和奥尔特(1992)。

然而,一个假设的全系统的响应是修改一些内部或反馈过程H;,引发了美国的输出(Ef /) S -这些内部流程反馈到系统(见图5)

因子G„H,称为反馈。因此G = G0我(1 - 2 /)。Peixoto和奥尔特(1992)指出,这种分析是基于假设不存在合作,即。、交互反馈。延长他们的分析可以定义一个多维传递函数G包括不仅反馈也反馈之间的合作。正式,可以编写S =通用电气,S是全系统的反应,和

S = G0E +(左)/)+ (m)年代+ (im ^ S +•••, /;显示两个进程之间的合作F /和/ / (i /),和/,,,惠普和F / H„之间。(我t4 j k)。至于反馈,我们可以区分积极,即。放大合作,如果/ > 0,和消极的,如果f < 0。值得注意的是,这种分析取决于选择的参考状态。一般来说,获得G和响应年代不同,无论我们是否应用外部强迫E - E。

插图、我有计算反馈/合作/,,从模型结果总结mid-Holocene Ganopolski et al(1998)的温度变化。通过检查表1,它变得清楚为什么所谓的生物群系悖论,2.1节中提到的,不是一个纯粹的“生态区”悖论,而是来自biogeophysical和海洋反馈之间的合作。反馈分析显示积极的反馈/,/。因此,反馈/和大气-硕士植被的反馈f2,倾向于“反对”冬季加强辐射强迫冷却;然而,他们并不足以产生变暖。系统的响应没有合作就会产生一个冷却对今天的气候,即。raybet雷竞技最新,= S (6 k) - S (0 k) < 0, S (6 k) = S0 (6 fc) / (1 - / - /)。之间的合作/¡2这些反馈,产生一个冬季变暖,表1中显示了= (6 k) ~年代(0 k) > 0和傅> >谷

伯杰(1999)使用factor-separation斯坦提出的技术和阿尔珀特(1993)exlore反馈和合作。工作进展表明,两种方法的扩展经典反馈分析和factor-separation技术,是相似的,他们如果正确标准化的产生同样的结果。

在这种情况下,它应该是emphazised合作的问题一直被忽略的调查由人类活动引起的土地覆盖变化。通常这些实验进行敏感性实验,即。,大气的反应(规定)的土地覆盖变化进行了分析。因此这些实验并不真正属于的类别反馈实验。然而,如果长时间尺度是,(规定)土地覆盖的变化可能引发地区自然植被的变化没有直接受人为影响土地使用(例如,Brovkin et al ., 1999),也许更重要的是,他们可能会引发与其他反馈合作。例如,工作进展(Ganopolski等,2000)表明,使用Ganopolski et al(1998)的模型的影响热带森林砍伐不同,如果我们让海洋反馈。在温带地区,我们找到一个夏季变暖固定SST的情况,但夏季降温的情况下一个交互式的海洋。

Biogeophysical反馈可以导致多个气候系统的平衡,它们影响了气候系统动力学(瞬态)。raybet雷竞技最新这已经被三个shown-meanwhile com

表1海洋反馈因素,/,Biogeophysical反馈因素,和他们的合作,/,/,在北半球平均气温变化(NH),北半球大陆(NHL)和南半球(SH)北方夏季(6月、7月、8月),北方的冬天(12月、1月、2月)和年度平均响应的变化轨道参数从6000年前到今天

温度

表1海洋反馈因素,/,Biogeophysical反馈因素,和他们的合作,/,/,在北半球平均气温变化(NH),北半球大陆(NHL)和南半球(SH)北方夏季(6月、7月、8月),北方冬季(12月、1月、2月)和年度平均响应轨道参数的变化从6000年前到今天

温度

的值/,/,/;是按比例缩小的,10倍3所示。作为表明线性系统的响应之间的区别没有任何合作,今天的信号。之间的区别是mid-Holocene和今天的完整的系统的响应。

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完全不同的模型atmosphere-vegetation系统,但没有完整的气候系统。raybet雷竞技最新因此,我们必须考虑多重平衡作为一个假设的存在等待进一步分析和古气候模拟。raybet雷竞技最新

验证,当然,在这个领域是一个主要的问题。到目前为止,我已经讨论了主要古气候模拟。raybet雷竞技最新为一个很好的理由:在许多论文biosphere-climate交互,验证是不考虑。raybet雷竞技最新相反,现在气候模型被校准应用于场景实验。raybet雷竞技最新这些实验很有意思,从学术的角度。然而,他们的价值评估未来气候是有限的。raybet雷竞技最新

通常,验证是单独完成的。一方面,模块模拟近地表能量、水分,和动量通量在一个大气模型对数据进行计算(如PILPS的框架,该项目为地表参数化方案的相互比较;Henderson-Sellers et al ., 1995)。另一方面,植被模型与其他模型进行对比测试(克莱默等人,2000)。这仅仅是第一步,很合适,只要大气模型和植被模型并不直接耦合;例如,如果两个模型不共享相同的模块土壤水文。如果验证完全耦合的模型被认为是,特别是大陆范围内的植被动态的验证,然后比较模型结果与古气候重建是唯一的方法。raybet雷竞技最新作为一个副作用,这种方法的优点是气候建模者不需要依靠“软”数据,即。raybet雷竞技最新,代用资料间接大气是派生的状态。相反,生物圈的变量表现为(预测)气候系统的状态变量模型,可用于直接验证。raybet雷竞技最新PMIP、古气候模拟Intercomparaybet雷竞技最新ri-son项目(Joussaume和泰勒,1995年),为这项工作提供了一个适当的框架。

最后,biogeophysical反馈和生物地球化学反馈密切相关(丢弃,1998)。忽视生物地球化学反馈似乎合理的时间几乎恒定的大气成分,这可能不存在。即使在过去的6000 - 8000年,大气中的二氧化碳浓度增加了大约20 ppm (Indermiihle等,1999)。假设这一增长是由于北方森林的下降和亚热带(主要是北非)草原和稀树大草原不是5 m C值的方差与重建Indermiihle et al。因此你可能怀疑植被的下降在过去的6000 - 8000年通过biogeophysical反馈放大长期冷却和合作通过生物地球化学反馈也weakend降温趋势。

biogeophysical之间的交互和生物地球化学反馈很微妙:而后者往往是消极与温室气体通过其互动,前者可以是积极的还是消极的,这取决于植被变化结构更强烈地影响蒸发或反照率。这将是一个有趣的任务探究的时空动态biogeophysical-biogeochemical相互作用。据推测,有地球上的地区,根据外部强迫和地球的历史,一个或另一个占主导地位。我

打赌,解决这个谜题,我们会找到问题的答案的气候系统稳定性评估的先决条件的弹性当今气候等大规模扰动的持续释放raybet雷竞技最新bet雷竞技 燃烧产品到大气中或陆地植被的碎片。

确认

写这一章不可能是没有登山者集团内的富有成果的讨论,特别是与维克多Brovkin安德烈Ganopolski,克劳迪娅Kubatzki波图霍夫Stefan Rahmstorf,弗拉基米尔。此外,我要感谢安德烈•伯杰大学Catholique鲁汶la Neuve建设性的评论。这部分工作是由欧盟资助,合同env4 - ct97 - 0696。

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