文摘

预计向下表面太阳辐射的变化对21世纪北美从全球气候模型模拟,推导出温室气体(GHG)迫使。一个健壮的趋势是发现冬天超过美国,展现出一个简单的模式,减少美国北部上空的阳光。和增加在美国南部的阳光。这个结构被确定在两个季节平均和平均气候学在一天的不同时刻。这是大致符合已知的风暴轨迹向极移与温室气体强迫冬天气候模型模拟。的纪念趋势向下短波辐射表面在美国北部。是10%的气候值1月月度的意思是,和略超过10%的时候是中午在美国。这表明一个不可忽视的温室气体强迫对太阳能的影响从长远来看。不过,当10%除以一个世纪,在短期内,温室气体强迫的影响相对较小,这样太阳能的估计潜在的使用现代气候学在未来几十年仍将是有用的。

1。介绍

过去十年见证了迅速发展太阳能作为替代化石燃料为基础的能源。太阳能发电站建了增加规模和效率。增加的股权投资和回报,选址和评估长期可持续性的太阳能发电站变得越来越重要。的因素之一,影响太阳能的长期计划是当地的气候学。长时间的阳光在一个位置是必不可少的一个可行的太阳能发电厂。可用的太阳能在给定站点量化向下太阳(短波)辐射的表面。在给定的纬度和天,这个量是影响大气水汽和微量气体,大气中气溶胶的数量,,最重要的是,云量(例如,李et al。1])。考虑到这些因素,气候地图向下太阳辐射广泛生产的太阳能应用程序(例如,国家可再生能源实验室,http://www.nrel.gov/gis/solar.html麦克斯韦et al。2),乔治和麦克斯韦(3])。因为气候不断变化是由于人为和自然过程,估计基于现代气候学的太阳能潜力在未来是不能保证是真的。在这项研究中,我们将分析的投影向下太阳辐射的变化在21世纪在北美使用一组气候模型模拟由人为温室气体(GHG)迫使气候模型相互比较的项目阶段3 (CMIP3)存档(冷缩et al。4])。全球气候模型相对粗糙的水平分辨率,但有能力生产的一阶特征的大气环流。在北美,已知GHG-induced大气环流的变化产生未来的美国西南部干燥和向极移的风暴跟踪美国西部(例如,Seager et al。5和贝克和黄6])。这些变化可能意味着更多的美国西南部阳光但减少阳光在美国西部的高纬度地区由于云层与风暴有关。我们将在大气过程量化这些变化在多大程度上影响向下表面太阳辐射,直接计算的气候模型使用他们的物理参数化方案。

对于太阳能的应用程序,不仅是相关知道季节平均太阳辐射的变化也是这些变化是如何分布在不同的时间。后者需要subdaily数据的分析太阳辐射,这是只有一小部分建模组存档的生产商。然而,有限的数据,我们将首次尝试量化的趋势在不同的时间的一天。

2。来自气候模型模拟的数据

我们将分析两组的气候模型模拟CMIP3存档(http://www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/about_ipcc.php)。尽管大量的模型输出已经被CMIP3存档和最近CMIP5(泰勒et al。7]),大部分的数据是每月的意思。存档Subdaily输出只有一小部分建模组和短时间时间。在这项研究中,我们选择分析GFDL CM2.0 CMIP3和MRI CGCM2.3.2模拟。两组提供subdaily档案(3小时)向下短波辐射表面的选择时间片在20世纪末和21世纪晚期。20世纪表面辐射预算CMIP3模拟进行了分析和比较,观察野(8]。中间纬度带从30到60 N,核磁共振成像模型+ 15 W / m2偏见而GFDL模型有−5 W / m2偏见在全天向下短波辐射在野生的表面(参见图6 (8])。

两种模型,GHG-induced趋势将推导出的区别sr aib运行(增加温室气体浓度根据aib场景)21世纪和20世纪20 c3m竞选。我们将首先使用每月平均计算百周年档案趋势,定义为气候学的气候学(2080 - 2100 - 1980 - 2000。分析的趋势在一天的不同时刻,我们将使用3小时可以从CMIP3模型输出。每个建模组只提供短时间的高频数据切片在20世纪末和21世纪晚期。基于数据的可获得性,我们将使用2100年的区别(sr aib运行)和2000年(从20 c3m运行)计算趋势在当地选择次白天在北美。

本研究将集中在北美气候趋势。在欧亚大陆,Meleshko et al。9)表明,CMIP3模型项目增加2 - 4%在冬季和夏季云层下降2 - 10%(云总分数)在俄罗斯。后者对应增加4 - 5 W / m2在夏天area-averaged向下短波辐射的表面。自北美人口稠密地区比俄罗斯位于低纬度地区,类似的云量的变化预计在北美生产更大的向下短波辐射表面的变化。

3所示。结果与讨论

3.1。每月意味着气候学和趋势

数据1(一)和1 (b)显示7月气候学向下短波辐射的表面在北美从GFDL CM2.0模拟。图1(一)2080 - 2100年平均水平的sr aib运行和图1 (b)1980 - 2000年的平均20 c3m运行。图1 (c)显示的趋势推断数据之间的差异(未来-存在)1(一)和1 (b)。气候学的人物1(一)和1 (b)向下,虽然太阳辐射是纬向统一的顶部的气氛,变得明显不均匀到达地表。这个纵向不均匀性是朦胧的强烈影响,很容易看到,如图2对应的数字17月总云分数相同的模拟。例如,强劲的向下短波辐射表面在美国西部和西南部对应于7月在这些地区大多晴空条件。在图1 (c),该模型预计总体积极的趋势在美国大部分地区,除了美国西南部的一个小区域。在表面,增加阳光的大约20 W / m2(21世纪)或接近10%的气候学,与云量降低超过美国(图2 (c))。

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图1
(a)向下短波辐射表面的气候学7月北美从21世纪使用GFDL CM2.0运行,基于2080 - 2100年平均水平。(a) (b)一样的但从20世纪来看,基于1980 - 2000年平均水平。(c)的趋势,定义为(a) - (b)。颜色尺度与单位W / m2右边所示。
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图2
(一)7月总额的气候学云从21世纪使用GFDL CM2.0分数,根据2080 - 2100年的平均水平。(a) (b)一样的但从20世纪来看,基于1980 - 2000年平均水平。(c)的趋势,定义为(a) - (b)。颜色尺度与比例单位右边所示。

图3是类似于图1但1月。冬天的趋势(图3 (c))是一个增加的向下短波辐射在美国南部和西南和减少在美国的北半部。增加在美国西南部阳光在寒冷的季节气候模型与已知投影一致的一个干燥的趋势在该地区(Seager et al。5和贝克和黄6])。这干燥的趋势有关,部分向极移的风暴跟踪(Seager et al。5]),这是符合阳光在美国北部的减少因为风暴活动的增加意味着增加朦胧。

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图3
(a) 1月向下短波辐射气候学在21世纪的表面使用GFDL CM2.0运行,基于2080 - 2100年平均水平。(a) (b)一样的但从20世纪来看,基于1980 - 2000年平均水平。(c)的趋势,定义为(a) - (b)。颜色尺度与单位W / m2右边所示。

向下短波辐射表面模拟核磁共振CGCM2.3.2如图4。简洁,只显示的趋势。数据4(一)和4 (b)为7月和1月,分别对应的数据的趋势1 (c)和3 (c)。在夏天,MRI的趋势模拟模型是显著不同,GFDL模型产生的。虽然两种模型项目增加了阳光美国东部和太平洋西北地区,MRI项目中性略微负面趋势在美国西部GFDL模型相比,一个积极的趋势。冬天是更健壮的趋势。两种模型产生减少阳光在美国北部和增加在美国南部。对于这两个模型,这些趋势的大小在10 W / m的顺序21月,约10%的气候学。作为一个显著的差异,在美国西南部,GFDL CM2.0产生一个积极的趋势而MRI CGCM2.3.2产生一个中立的负面趋势。自从趋势短波云辐射强烈的影响趋势高度参数化的气候模型,两个模型的不同的预测并不令人惊讶。找到一个更好的协议这一趋势今年1月,可能是因为阳光的减少在美国北部寒冷的冬季风暴向极移的相关跟踪越来越温室气体强迫之下,这种现象在本质上是大型的,强劲的大多数气候模型模拟CMIP3(例如,阴10])。

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图4
(a)的趋势向下短波辐射表面的7月从MRI CGCM2.3.2a模拟。(b)(一个),但1月一样。这一趋势被定义为2080 - 2100的意思是气候学- 1980 - 2000年的气候学。颜色刻度单位的W / m2右边所示。
3.2。在一天的不同时间趋势

我们接下来用3小时模型输出的有限的数据推导出的趋势向下短波辐射表面作为时间的函数。GFDL CM2.0和MRI CGCM2.3.2提供3小时档案向下短波辐射2000年(从20 c3m运行)和2100年(从老aib运行)。图5演示了一个3小时的时间序列向下短波辐射表面平均在多个网格点在亚利桑那州北部,2000年,从20 c3m GFDL CM2.0模拟。趋势(现在定义为平均2100 - 2000年的平均水平)在本节将讨论特定的时间,平均在7月或1月。


图5
三个小时的时间序列向下短波辐射表面,平均在多个网格点覆盖亚利桑那州北部,2000年从20世纪GFDL CM2.0模拟。纵坐标上的单位是W / m2。

数据6(一)- - - - - -6 (c)数据是相似的1(一)- - - - - -1 (c)但对于GFDL CM2.0模拟短波辐射美国西海岸的当地时间下午3点。图6(一)平均在2100年7月,图吗6 (b)平均在2000年7月。定义的趋势,2100 - 2000,如图6 (c)。数据6 (d)- - - - - -6 (f)是数字的同行吗6(一)- - - - - -6 (c)但对于MRI CGCM2.3.2模拟。图7是类似于图6但对于短波辐射当地时间上午九点我们西海岸。注意气候值和数据的趋势6和7远高于每月值在图意味着什么1因为后者的平均在整个天,包括夜间。就像每月的意思是,今年7月,两个模型的趋势预测是明显不同的。同时,在每个模型中,这一趋势在一天的特定时间不同于每月的趋势意味着包括来自所有的一天。

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图6
(a)向下短波辐射的表面在当地时间下午3点美国西海岸,平均在2100年7月,从21世纪GFDL CM2.0运行。(a) (b)一样的但对于平均在2000年7月从20世纪GFDL CM2.0运行。(c)的趋势,定义为(a) - (b)。面板(d) - (f)的同行(一)——(c)的MRI CGCM2.3.2模拟。颜色的规模与单位W / m2为每一个面板显示在右边。
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图7
相同的图6但对于向下短波辐射当地时间早上9点7月份美国西海岸。板(一)——(c)来自GFDL CM2.0和面板(d) - (f)是核磁共振CGCM2.3.2模拟。颜色的规模与单位W / m2为每一个面板显示在右边。

虽然7月的趋势不健壮,如图1月的趋势8表现出更大程度的两个模型之间的一致性和在一天的不同时间。简洁,只显示的趋势。数据8(一)和8(b)在下午3点1月的趋势。,数据8(c)和8(d)的趋势在当地时间9点1月美国西海岸。第一行(数据8(一)和8(c))从GFDL CM2.0和底部行(数据8(b)和8(d))从MRI CGCM2.3.2模拟。减少在美国北部和阳光在海面的增加在美国南部,正如前面所示的每月意味着数据的情节3和4,可以发现在所有四个面板图8。从数据8(c)和8(d),当时整个美国是中间的一天,1月美国北部的太阳辐射减少的趋势在本地可以达到100 W / m2,或略超过10%的当地气候值。


图8
(a)的趋势向下短波辐射表面在当地时间下午3美国西海岸,以相同的方式定义如图6 (c)但对于平均在1月,GFDL CM2.0模拟。(a) (b)一样的但是从MRI CGCM2.3.2模拟。面板(c)和(d)的同行(a)和(b)但是对于当地时间9点的美国西海岸,平均在1月。的趋势在所有四个面板被定义为2100年1月- 2000年1月平均的平均水平。颜色的规模与单位W / m2为每一个面板显示在右边。

4所示。结束语

最健壮的本研究的发现是冬季(1)趋势向下短波辐射表面在美国。它展示一个简单的模式,减少阳光在美国北部和增加在美国南部的阳光。这种结构模拟GFDL和磁共振成像模型,可以发现甚至在一天的不同时刻。是大致符合已知的风暴向极的转变轨迹在寒冷的季节气候模型模拟在增加温室气体强迫。美国北部的负面趋势更加突出。定量,纪念趋势向下短波辐射的表面在该地区的气候值的10%每月平均(平均超过一天的任何时候),略超过10%的时候是中午在美国。这表明一个不可忽视的温室气体强迫对太阳能的影响从长远来看。不过,当10%除以一个世纪,在短期内,温室气体强迫的影响相对较小,这样太阳能的估计潜在的使用现代气候学在未来几十年仍将是有用的。在这项研究中使用的全球气候模型相对粗分辨率水平网格大小超过100公里。太阳能潜力的评估在特定网站现有的或未来的太阳能发电厂,它将需要执行气候降尺度(例如,Mearns et al。11),沙玛和黄12)考虑到小规模的地形对云层的影响。这项工作的结果将作为一个有用的参考未来的研究方向。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。