文摘

到目前为止,只有少数研究评估的影响温室气体排放对全球和区域能量有限。此外,他们都有集中在公司的增加2。随着新的气候预测现在可以从许多气候模型下MPI-ESR-MR实验,本研究分析了全球和半球形能量增加的温室气体作用力下,代表浓度通路(RCP26 RCP45, RCP85)。结果表明减少LEC随着温室气体浓度的增加,强度与RCP85场景产生最强的减少。全球和半球形领域,纬向动能是唯一能源水库增加在温暖的环境中,而涡流动能之间的转换和纬向动能( )是唯一的能通量也增加。内部过程的定量分析转换条件的改变水平和垂直显示重要eddy-transport动量和显热。在的情况下 水平和垂直方向的动量eddy-transports发挥重要作用在纬向动能的增加全球域。

1。介绍

洛伦茨(后1)派生的一组方程量化整个大气层的能量循环,许多研究应用这项技术的动力学过程的量化和理解参与地球的能量(例如,2- - - - - -9])和那些正考虑大气的一块(例如,10- - - - - -19])。特别是,他们相互之间的差别取决于使用的目的和能量的形式(空间域、时间域和混合时空域能量,看到5])。如前所述在洛伦兹2和奥尔特4),尽管绝对值由每个技术不同于对方,能量通量定性相似。一般来说,研究能量考虑封闭域突出大气环流的维护,同时研究涉及开放域压力动态的生命周期相关个人大气扰动。

温室气体排放的增加放大温室捕获更多的热量的效率效应和低对流层中期,因此改变大气环流模式(20.]。这可以带来的后果感到通过广泛的空间变化和temporal-scale干扰的两个半球的病例中观察到气旋和反气旋(例如,[21- - - - - -27]),热带气旋(例如,28- - - - - -30.])。例如,基于ECHAM5 / OM1模型的瞬态模拟运行,(27)透露,有显著增加的频率最严重的风暴在北大西洋和北太平洋东部越来越有限2相对于IPCC aib的场景。

文献[20.)评估在北半球中纬度大气能量相对于两个公司2浓度条件( 和 )从10-year-numerical模拟与加拿大气候中心(CCCma)模型建模和分析。结果显示减少冬季的斜压性和斜压不稳定的情况下公司翻了一番2由于修改后的温度结构(减少杆赤道和陆地/海洋低对流层温度梯度)。此外,大气的“工作”,为特征的生成速度可用势能转换为动能和随后的耗散,相对于减少12% 模拟。的能量循环的特点是减少可用势能( 和 ),由此减少之间的转换 来 和 来 。纬向动能的值 之间的转换 和 增加,而 值降低。

Hernandez-Deckers和冯·斯托奇(31日]基于平衡和瞬态模拟耦合硕士GCM表明,洛伦兹能量循环的强度,由潜在的总转化率为动能,降低CO气氛中翻了一番2浓度,确凿的结果(20.]。减少是由于潜在的减少转换动能的纬向和艾迪模式。此外,他们观察到的增加(减少)地带性(涡流)动能水库作为响应的增加正压(斜压)转换。他们找到了一个大气变暖模式的双重角色:增加 在随后的对流层上层的弱化 在低水平,增加静态稳定前的原因。根据Hernandez-Deckers和冯·斯托奇(32基于两个平衡运行(), 和 )耦合ECHAM5硕士/ MPI-OM模型,双响应(下面的加强上对流层和削弱)的担忧主要瞬态涡流条件,与固定涡流次要。

见前面的工作,重大变化的大气能量学广泛地修改他们的成分,是有限的情况下2增加。尽管在洛伦兹通量的方向进化能量循环不是修改的温暖气候驶过的增加有限公司2,在场的通量变化,关注重要的动力学过程(例如,正压和斜压活动)。在这种背景下,新的组可用的数据相对于代表浓度路径是一个很好的机会去探索下的大气能量学温室气体的增加,土地利用变化和污染排放。

本文的组织结构如下:数据和方法讨论了部分2,并给出了主要结果部分3,讨论时间序列和转换条款和volume-integrated能源组件。后续讨论提出了部分4,评论新见解和观点带来的结果。

2。数据和方法

在这项研究中,我们使用一组四个实验来自新马克斯普朗克研究所的地球系统模型(MPI-ESM)用于耦合模型相互比较项目阶段5 (CMIP5)。MPI-ESM由大气模型ECHAM6 [34),包括陆地植被模块和海洋模型MPIOM [35]。MPI-ESR-MR模型空间分辨率相当于 在高斯的网格,模型运行水平分辨率63波三角谱截断和95年的水平垂直(T63L95) [36]。的海洋分量MPI-ESM MPIOM,自由表面的海洋环流模式制定一个Arakawa-C网格在水平和垂直z-grid。水平分辨率MPIOM转化为网格从15公里赤道附近的格陵兰岛185公里左右,更多的细节,请参见[37]。从CMIP5运行的组内设计,我们认为三个rcp (38,39):(1)一个缓解场景导致非常低的辐射强迫的2.6 W / m2RCP26 [40),(2)一个中等稳定场景RCP45 [41),(3)一个代表一个非常高的发射场景RCP85 [42]。历史的实验中,代表控制实验(CTRL),用来做比较的目的。历史实验覆盖了大部分的工业时期从19世纪中叶到附近(1880 - 2005);然而,我们这里使用从1979年到1999年为基期。历史的rcp实验继续运行到2100年。rcp的特征是土地利用覆盖而言,温室气体有限公司2,CH4和N2O),和空气污染预测(例如,所以场景2和 )[43]。分析不同的影响对全球温室气体排放和半球形 大气数据,平均每天的纬向和经向组件水平风矢量( 和 ),空气温度 压力、垂直速度分量坐标 和位势高度( 使用)。大气变量从最低的模型集成水平,被认为是在表面1 hPa (1000 hPa)。方面的影响量化生产的异常rcp和控制之间的对比实验。周期的分析包括两个特定范围:1979 - 1999和2079 - 2099年,以下称为20世纪晚期(L20C)和21世纪(L21C),分别。

最简单的洛伦茨表示能量是双组分能量循环(图1(一)),[33]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
洛伦兹能量循环表示(a)双组分能量循环中可用势能用这封信 生成 ,转换 动能 ,随后消散 。(b)四分量能量循环 和 分解为均值和艾迪部分。改编自(33]。

考虑

在哪里 是可用的势能, 它的产生率, 之间的能量转换是吗 和动能 , 耗散率吗 。当 是正的, 增加为代价的 ,反之亦然。

的四分量能量循环的特征是细分 和 成带状,艾迪组件和组方程可以写成

在四分量能量循环的势能是切成带状可用势能( )和艾迪可用势能( )。动能可以治疗同样的势能;即流的动能可以分为区域( )和艾迪( )部分。在洛伦兹的能量循环, 和 是由一代流程命名 和 ,而水库的能量通过转换条件 , , , (分别地转换 来 , 来 , 来 , 来 )。的 术语涉及运输经向环流影响的显热 和 通过改变纬向平均温度和风力的方差。它取决于区域的垂直速度和温度之间的协方差,它反映了增长 为代价的 当热空气上升,冷空气下沉在同一纬度。的 包括水平和垂直eddy-transports显热。这一项影响 和 通过改变温度和取决于交通的方差的显热梯度的纬向平均温度。的 术语包括垂直eddy-transports显热,其单位面积是独立的纬度值。它会影响 和 通过改变温度和风力的方差在纬度圈,和它的绝对值表示一个环境在多大程度上是斜压。这个词 包括水平和垂直eddy-transports动能,它取决于运输角动量的梯度角速度。的绝对值 表明环境正压或在多大程度上支持通过正压大气扰动加强转换。

开放域四个组件的情况下能源循环(图1 (b))必须包括边界和工作流程。

考虑

, , , 项,分别代表的通量 , , , 从横向和纵向边界。 和 方面表示他们生产的动力机制或摧毁动能。所描述的(44),这是由于这一事实 , , , 衍生品包括单个词的形式 代表的动能通过对低压cross-isobaric流。动能的破坏发生在有向高压cross-isobaric流。然而,这里 和 被添加到耗散项。

过去两届(3 c)和(3 d)可以确定的剩余工资形式,结合了计算错误 和 在以下形式:

在类似的形式,产生的内在错误数值估计其他条款(3)和(3 b)也包含在生成条件的评估:

所有组件的详细数学表达式的能量预算,作为描述(3)和(3 d附录中给出。

这里的洛伦兹图认为转换方面总是积极的,箭头指示的方向通量。代可用势能和动能耗散得到残差,考虑到长期的势能和动能的收益或损失可以忽略不计。本研究中使用的四分量能量循环是全球和半球形能量。然而,在第一种情况中不包括边界通量。

3所示。结果

3.1。时间序列的能量和转换条件

代的气候年度周期,可用势能和动能,纬向和艾迪组件,为控制和rcp实验对整个全球见图2。误差线,表示95%的置信水平意味着,都包含在这个面板显示经历的年际变化方面的能量。的值 在5月和9月后跟两个最小最大化在6月和1月(图2(一个))。结果显示的递减 随着温室气体浓度增加。相反的行为是观察 (图2 (b))。在这种情况下 提出了高负值控制实验和拒绝最低负RCP85实验。秋天的含义 和 (负面)作为温室气体浓度的增加,更少 和 是由传热过程和结果影响的释放 和 在大气中转换的条件。减少可用势能的一代因为生长在温暖的星球发生水平温度梯度降低,从图1中可以看到的20.和图2的31日]。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图2
气候学的生成条件 (一)和 (b)和能量条件 (c), (d), (e) (f)为全球域集成1000至1 hPa RCP85 RCP45, RCP26和控制实验。误差线显示95%置信区间的意思。单位是105J / m2对水库和W / m2为一代。

根据图2 (c)带状可用势能的特点是一个定义良好的季节性变化的RCP26 RCP45,而在RCP85实验季节性变化不太明显。温室气体的增加更强的影响在RCP45 RCP85相比,控制实验。RCP26控制实验的酒吧互相重叠的主要部分的建议与其他rcp比较疲软的影响。类似的模式是观察艾迪可用势能(图2 (d)),RCP45和RCP85实验产生强烈的影响。季节性变化的减少温室气体浓度的增加是显而易见的。结果还表明,有减少可用的潜在能量( 和 )由于下降的一代。可以看到,最强的(弱)削弱可用势能,纬向和艾迪部分,优先发生在高(低)范围内发射实验。的减少 随着温室气体浓度的增加是因为更少 已经被破坏或转化成吗 。的破坏 发生在寒冷的空气是温暖的流水区域和温暖的空气寒冷地区在同一纬度流水,这一过程改变了方差(相关)的传热和热温度场。这一项的作用进行了简要的讨论产生可用势能在洛伦兹(2];然而,一个更彻底的讨论这一项是没有限制的非绝热加热/冷却数据全球环流模型。数据2 (e)和2 (f)显示动能的值( 和 )作为rcp和CRTL实验的功能。的年度周期 特点是一个定义良好的季节性变化,最高(最低)值从7月到9月(4月至6月)。一个可以看到 明显增加,而 仍然是大约不变在今年增加温室气体的浓度。的增加 发生在RCP85迫使场景,小和几乎同样RCP45和RCP26的变化。作为一代(或破坏) 取决于运输的联合效应的角动量角速度的梯度( ),运输经向环流的显热( )和摩擦,动能耗散的代表 (2摄氏度)和转换方面的评估是必要的。

全球气候的地产顾问年度周期转换和耗散项的控制和rcp实验呈现在图3。可以看出 和 转换明显改变,6个月至8月,在rcp场景迫使(数字3 (b)和3 (d)),发生在RCP85最强的变化。结果显示减少能量的转移 来 随着温室气体的浓度增加,可能是因为eddy-transports减少的合理的加热。这是预期在温暖环境中温度的横向对比较少。文献[31日)表明,在温暖的一颗行星,公司增加了一倍2浓度,经向温度梯度减少由于反常加热在热带和极地地区。的变化 和 是温和的,而不是统计学意义(数据3(一个)和3 (c)),表明弱关系增加温室气体的浓度。这个词 今年,行为作为能量来源的水库 显示不同的结果。它表明,在一个温暖气候的转换 来 增加;即增加eddy-transports沿着梯度角动量的角速度。数据3 (e)和3 (f)表现出相反的耗散之间的行为 和 过程中;也就是说, 介绍了最高价值从7月到9月,当 是最低的。从11月到1月也遵循同样的关系。这些结果表明,纬向平均运动是被强烈的摩擦耗散过程时最大化(图2 (e))。同样的行为是观察艾迪运动。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
(f)
(f)
图3
气候学的转换条件 (一), (b), (c) (d)对整个全球集成1000至1 hPa RCP85 RCP45, RCP26和控制实验。误差线显示95%置信区间的意思。单位是W / m2。
3.2。Volume-Integrated能源组件

年平均能量周期(两个——和四分量)对整个全球,南北半球计算从rcp和历史实验,分别在数字4,5,6。全球的双组分能量循环域(图4(一))显示增加一代 作为应对温室气体浓度的增加,其次是减少可用势能 、转换期限 和耗散 。然而,总动能增加。每一项的特点是它的总和(图四分量能量周期4 (b))。可以指出,增加 ~ 61%(44%,23%)的情况下RCP85 (RCP45和RCP26)。其他组件有以下条件:减少 ~ 28%(16%,8%),减少 ~ 4%(2%,0.2%),增加 ~ 15%(7%,4%)和耗散项的减少 ~ 4% (1%,0.2%)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
表示空间域的年平均洛伦兹能量循环对整个全球代表双组分(a)的能量循环和(b)表示四个组件图。值在每个图下面RCP85, RCP45, RCP26和控制实验。单位是105J / m2对水库和W / m2转换,生成和耗散项。双组分的能量周期的价值 是由带状和艾迪部分的总和 , , , , 。箭头指示的方向积极相应值;负值意味着相反的变化方向。
(一)
(一)
(b)
(b)
图5
表示空间域的年平均洛伦兹能量循环的南半球的双组分(a)代表能量循环和(b)表示四分量图。可用势能的界限 和动能 都包含在双组分的能量周期。值在每个图下面RCP85, RCP45, RCP26和控制实验。单位是105J / m2对水库和W / m2转换,生成和耗散项。箭头指示的方向积极相应值;负值意味着相反的变化方向。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
表示空间域的年平均洛伦兹能量循环的北半球的双组分(a)代表能量循环和(b)表示四分量图。可用势能的界限 和动能 都包含在双组分的能量周期。值在每个图下面RCP85, RCP45, RCP26和控制实验。单位是105J / m2对水库和W / m2转换,生成和耗散项。箭头指示的方向积极相应值;负值意味着相反的变化方向。

(图四分量的能量周期4 (b))表示一般减少生成的值,可用势能,转换条件 , , 和耗散的增加温室气体的浓度。实验结果表明,RCP85是最大限度的减少相对于对照实验。动能和转换 数量增加的温室气体浓度上升,可以证实从rcp迫使场景。可以看出两个可用势能存在类似的减少,RCP85 ~ 28%,低于10%的RCP26实验。水库的动能增加,地带性变化呈现最强的一部分,增加了21.8% 和一个小~ 1%的增加 RCP85实验。这是暗示加强大气纬向的运动。斜压能量流的强度,其特点是转换 来 ( ), 来 ( ),减少在温暖气候的一个条件,我们可以看到~ 39%的减少 ~ 1.8% RCP85实验。对于RCP45 RCP26,减少没有那么强。正压流,用能量之间的转移 和 ( ),增加显示带状流的增长为代价的涡旋运动。转换项 、负责增加的动能由于子午交换质量在垂直平面上,减少了。这些结果归因于可用势能越少产生生长在温暖的星球。

的双组分能量循环 域显示在图5(一个)显示了一个增加一代 ,其次是减少可用势能 、转换期限 和耗散 。图还显示了一个负通量的减少 和一个通量的增加 。因此, 作为水槽的 ,没那么强烈的温暖气候, 充当的一个来源 。可以观察到,增加 在的情况下 域,是~ 34%(24%,9%)的情况下RCP85 (RCP45和RCP26)。总的可用势能减少~ 27%(16%,8%),其次是消极的减少~ 5% (3%,3%) 。的减少 ~ 9%(5%,3%),增加在吗 ~ 17%(8%,5%),增加了~ 66% (25%,8%) 在减少耗散项 ~ 9% (5%,3%)。

四分量能量循环显示在图5 (b)表示一般减少生成的值,可用势能,转换条件 , , 和耗散的增加温室气体的浓度。动能和转换 数量增加的温室气体浓度上升,可以证实从rcp迫使场景。四分量能量循环中可以看出,负相关的边界条件来减少可用的能量主要是由于 ,如减少 是一个订单规模小。动能的增加边界条件尤其由于 术语。可用能量的能量水库和动能,分别减少和增加。RCP85实验的增加 小(~ 1%)相比,增加 (~ 24%)。减少和增加能源水库中的值都是更重要的温室气体排放的最高水平。斜压流,其特点是积极的价值观 和 ,减少地球变暖,其次是正压组件,增加和减少 值。这些模式类似于全球域。

图6(一)显示的双组分能量循环 域。结果显示增加的一代 ,减少可用的势能 ,减少 ,减少转换 ,增加 ,一个消极的增加 ,减少耗散项 。在 情况下, 充当的来源 ,没那么强烈的温暖气候, 充当沉没 ,它是温暖的气候更强烈。可以看出,随着的增加 在的情况下 域,是~ 172%(108%,70%)的情况下RCP85 (RCP45和RCP26)。总的可用势能的减少~ 33%(20%,13%),其次是减少~ 31% (17%,10%) 。减少的值 ~ 10%(6%,1%),增加在吗 ~ 11%(6%,2%),负增加~ 64% (42%,28%) ,减少耗散项 ~ 10%(3%,增长了1%)。

在的四分量能量循环 (图6 (b)),观察到的是一个类似的全球和模式 域,减少的值可用势能,紧随其后的是各自的小而显著增加 和 ,减少发电,降低气压的变化,增加 ,减少损耗。结果也显示减少边界条件相关的主要是由于可用的能量 ,如减少 是不存在的。负动能增加边界条件两项中尤其强烈。

可以看到,减少和增加能量仍然依赖于领域评价。例如,对于RCP85投影的增加 全球域名是~ 21.8%相对于控制实验, 在 和 分别增加24.6%和18.0%。增加相同的模式 (剩下的水库)是紧随其后的是其他的rcp投影,但强度有所减弱。

为所有域的强度分析 测量的势能和动能之间的转换在纬向和艾迪模式,减少与更多的温室气体行星,如前所述的价值观产生的rcp实验。最大的减少发生的 (10.35%),与全球相比(4.68%)和 (9.57%)域。最强劲的增长被认为发生在的总动能 (~ 17%),其次是增加了41.02% 。这个结果表明的增加 的增加有关吗 ,因为 充当的一个来源 。然而,另一种形式属性的增加 由于 是量化动态过程的增加是最重要的 。这可以通过评估或量化条款参与计算 在附录中,见方程。前三个方面 与动量的水平运输,而最后两项处理动量的垂直运输。变化的量化的rcp实验重要特征能给我们带来大气行为在气候变化的角度来看。

为 ( 、全球)域的增加 RCP85,与增长了47.8%(5.2%,38.3%)的水平eddy-transport动力和增长了23.9%(24.6%,21.0%)的垂直eddy-transport势头相对于控制实验。实验RCP26和RCP45的增加水平(垂直)eddy-transport 22.8%(8.4%)和29.7%(10.1%),分别显示在吗 温室气体的增加产生的增加水平和艾迪运输动力,前者更强劲。在全球领域的情况下,RCP26和RCP45水平(垂直)eddy-transport动量的增加为18.7%(6.1%)和25.0%(9.6%),分别为 域,它对应于−1.5%(2.1%)和2.2%(9.5%),分别为。

计算各个方面的变化 表明,减少该组件的斜压转换是由于两个水平和垂直eddy-transport显热。RCP85实验(RCP45和RCP26)在全球领域,减少的水平eddy-transport显热是38.7%(22.9%和12.4%),而对于垂直eddy-transport显热,77.7%的变化(55.5%和33.3%)。为 和 显热的水平eddy-transport减少35.1%(20.7%和36.4%)和39.2%(24、0%和14.9%),分别为RCP85 (RCP45和RCP26)。减少在垂直eddy-transport的显热 和 是22.2%(33.3%和55.5%)和70%(52%和38%),分别为RCP85 (RCP45和RCP26)。减少的值 项是低于3%相对所有rcp的对照实验。

4所示。结束语

在这个全球和半球形精力充沛的工作研究中,使用传统的洛伦兹两年期和四分量能量循环,进行访问辐射强迫的影响相对于温室气体排放对全球和半球形 。精力充沛的分析是基于RCP85, RCP45, RCP26迫使实验和控制模拟MPI-ESM-MR海气耦合模式。结果显示大部分的能源减少从全球的洛伦茨能量领域,除了少数例外,暗示的弱点 L21C时期,因为之前的工作。然而,这里我们提出了洛伦茨能量的变化与新rcp场景,是温室气体的增加的结果。在之前的文献,能量量化和评估下公司的一个条件2只增加。在这种情况下,我们已经评估,发现的正压分量的增加能量循环,这是主要的学期负责的纬向分量的增加动能,与动量的增加水平运输,更少的垂直分量增加。减少能量循环中的值是明显的依赖 实验中,用最强的减少发生在最高的辐射强迫实验,RCP85。结果也显示增加 , , 组件的 。类似的强度降低 是观察到的 和 ,RCP85发射场景影响最强烈的减少能源的条件。特别是,对于这个场景的精力充沛的投影 表明增加 的24.6%,这比全球(21.8%)和高 (18.0%)域。的异常增加 在 ( 和全球)L21C时期是由于增加了47.8%(5.2%,38.3%)和23.9%(21.0%,24.6%),分别在水平和垂直eddy-transport RCP85的势头。这些传输不太强烈的增加RCP45和RCP26减轻场景。减少的水平eddy-transport显热生成减少之间的转换 和 在rcp场景。这些结果导致的结果20.,31日)显示 增加生长在温暖的气候;然而,我们的研究结果表明,增加 主要是由于动量的水平分量的增加运输。的方式和原因的增加温室气体排放影响动量和热量的传输将在另一个工作。

虽然这里给出的结果只是基于一个CMIP5模型和他们不可能代表一个独特的能量循环的未来行为的照片,他们认为重要的变化在大气的能量在温暖的气候下,它可以激发进一步的调查对全球大气环流的影响。

附录

洛伦兹力能学

洛伦兹方程在空间域。

数学表达式的组件在能量平衡(3)- (3 d)。

纬向平均的一个变量 经度之间 和 是由 这个变量是艾迪的组成部分 的均值 在一个区域有界经度 和 和纬度 和 是 量定义为 四个SDLEC的能源形式 在哪里 和 分别是上下压力边界, 是温度, 重力加速度的大小, 和 是风的向东和向北组件,分别和 是静态稳定性参数给出的是哪一个 在哪里 表示地球的平均半径。

的一代 条款和动能耗散项 在哪里 表示与生成相关的传热过程 。

能源运输积分 在哪里 和 。

最后的积分 和 是 在哪里 位势。

确认

何塞奥古斯托。p . Veiga和方阵上场Ambrizzi被CNPq支持(150356/2011-0)。方阵上场Ambrizzi还FAPESP(08/58101-9)必须占州政府的支持下,CLARIS LPB和坡度/早餐。