地球能量平衡、气候反馈与敏感性（IPCC AR6）

献世八宝掌

温室气体和气溶胶排放所带来的大气组分和土地利用变化，将会扰动地球能量平衡来影响气候，有效辐射强迫（effective radiative forcing, ERFs）能够用来量化这些扰动。平衡气候敏感性（equilibrium climate sensitivity, ECS)和瞬时气候响应（Transient climate response）是评估地球物理、生物地球物理和生物地球化学过程所带来的气候反馈的有用指标。
7.1 能量平衡框架：强迫与响应

强迫与响应能量平衡框架提供评估全球表面温度响应的各类驱动因素的效应，并促进理解温度响应量级的关键想想。自AR5开始，有效辐射强迫定义更加准确，被用来作为辐射强迫的中心定义，并在AR6扩展用来评估不同时间尺度和气候状态反馈的变异性。全球表面气温（global surface air temperature, GSAT）对如下线性能量平衡方程近似代表的能量不平衡所产生的扰动做出响应，其中ΔN表示大气顶层（top-of-atmosphere, TOA）净能量通量，ΔF代表有效辐射强迫ERF扰动，α表示净反馈参数，ΔT代表GSAT变化。
\Delta N = \Delta F + \alpha\Delta T\\ ERF( \Delta F; units:W m^{-2} )量化了外部扰动（如温室气体和气溶胶浓度变化，入射太阳辐射和土地利用变化）对能量净通量变化的影响，表征为经对流层和平流层温度、水蒸气、云层和地球表面特征调整后的净向下辐射通量的变化，比起平流层温度调整辐射强迫（SARF）或瞬时辐射强迫（IRF）更能表征气候变化对强迫物质的响应，且调整与GSAT变化无关。
反馈参数α (units: Wm^{-2}{ }^{\circ} C^{-1}) 量化净能量通量随GSAT的变化率，可以被分解成不同气候反馈过程的反馈参数并进行求和，因此：
\alpha=\Sigma_{x}{\frac{\delta N}{\delta x}\frac{dx}{dT}}\\
其中，x是各类能够直接影响能量平衡的地球系统变量；α主导了地球平衡GSAT对ERF的响应水平，作为负值，其绝对值越大，辐射响应越强，GSAT变化越小。
平衡气候敏感性ECS (units: {}^{\circ}C)  定义为大气CO2浓度从工业前浓度加倍后平衡状态GSAT的变化量，其中ERF值表示为 \Delta F_{2 \times CO_2}，此时 ECS=-\Delta F_{2 \times CO_2}/\alpha ，如下图a子图所示。平衡态意味着净能量通量均值为0的稳态，是多个世纪到上千年的气温响应。ECS排除了长期冰层响应（因为需要几千年才能达到稳态）。研究人员使用有效反馈参数或有效ECS来近似真实值，表示为ΔT对大气CO2浓度持续加倍的响应平均值，在下图b中，有效反馈参数即利用线性斜率估计，而ECS则是与ΔN=0的交点值，因此需要注意ECS和有效ECS的差异。


瞬时气候响应TCS (units: {}^{\circ}C) 定义为CO2从工业前水平每年增长1%直到达到大气浓度加倍的假设情景下的ΔT值，由于TCR基于大气CO2浓度变化，因此与CO2浓度相关的反馈效应不会影响该值。这一指标能够同时考虑气候反馈和海洋热吸收所带来的瞬时温升。



能量平衡框架与第7章内容安排

7.2 地球能量平衡和时间变化

地球能量平衡受入射太阳辐射和射出的长波辐射所主导，在稳态气候系统中，能量在长期全球平均上基本保持平衡但仍会受内部气候变率所影响，产生波动。然而，人为辐射强迫造成了持续的能量不平衡。云显著产生了降温效应，通过气溶胶-云相互作用给和云反馈，将相比于没有云的情况下，增加47Wm-2的太阳辐射反射并减少28Wm-2的地球长波辐射射出太空，从而产生净的20Wm-2的辐射不平衡，从而避免很大程度的升温。
TOA净辐射通量（即能量不平衡）一方面来自于内部气候变率的影响，尤其是厄尔尼诺和拉尼娜南方涛动，从下图净能量通量异常可以发现，在2002/2003和2009/2010厄尔尼诺事件发生时气候系统产生能量损失，而在2008/2009拉尼娜事件中气候系统带来能量增；另一方面来自于由于全球海洋热吸收、大气变暖、土地变暖以及冰融化所带来的气候系统能量增加，其中从1971-2018年的全球能量增加组成中，91%来自于全球海洋热吸收，5%来自于土地变暖，2.7%来自于冰冻圈融化，1.3%来自于大气变暖。


7.3 有效气候强迫

有效气候强迫不仅对平流层温度进行调整，也对对流层、云和大气循环效应进行响应，用来作为此前所用的SARF或IRF的替代选项。根据研究，ERF相比于SARF能够得到更一致性的反馈参数α估计，降低了10%的方差。但对于地理上本地化的强迫因子，异质性交叉，代替SARF和IRF的可信度较低。
IPCC量化了CO2、N2O、CH4、卤代温室气体、臭氧、甲烷氧化的平流层水蒸气、反射率、航迹云、气溶胶等人为源和太阳辐射变化等自然源ERF值，用来评估对于地球总能量预算的外部冲击影响。可以看到，自然源辐射通量仅有-0.02Wm-2，而人为源达到了2.72Wm-2，其中CO2、CH4、N2O、卤代气体贡献了绝大多数的温室气体强迫。从1750年到2019年，温度已经上升了1.27[0.96 - 1.64]℃。




7.4 气候反馈

辐射强迫和气候反馈共同带来了GSAT变化的量级，气候反馈被定义为大气顶净能量通量变化随GSAT变化的比率。地球系统的反馈过程非常多样，可以被归类为三大类，即物理反馈、生物地球物理和生物地球化学反馈、长期冰层相关的反馈过程，其中在百年尺度上，前两类反馈占据主要作用，而冰层相关反馈在若干世纪甚至千年尺度上才会发生。在上一次IPCC综合评估（即AR5）前，反馈机制仍然主要基于全球气候模型，AR5则提供了大量基于观测、小尺度模拟等方法补充全球气候模型的估计。AR6进一步避免对气候模式的以来，提供了对大量反馈过程的稳健估计，指出了气候敏感性为-1.16[-1.81至-0.51]Wm-2℃-1，
7.5 ECS和TCR估计

对ECS和TCR的估计的第一种方法，即使用有效辐射强迫和反馈因子进行估计，即ECS=-ERF/feedback。在此基础上，更多的手段被用来进行估计，包括仪器记录（如全球能量平衡、历史温度记录、全球温度和强迫的内部变率）、古气候分析、新约束（即近年来的气候数据）。报告最终指出，结合不同证据，ECS将有一个更加稳健的成果，最佳ECS估计为3.0℃，5%-95%置信区间为2.0-5.0℃；TCR最佳估计为1.8℃，5%-95%置信区间为1.2-2.4℃。这意味着全球二氧化碳倍增时，全球平衡增温将达到3℃左右。


7.6 一点感想

为了构建一个简化气候模式，我第一次努力看IPCC第一工作组所发布的综合评估报告，看完本章后我最大的感受是：震撼，来自于100多年来的科学家，尤其是近30年来的科学家的共同努力，才让我们对如此复杂的地球系统的能量过程、人类对地球系统影响过程有了更加深刻的认识，诚然我们对地球过程的评估还在路上，还需要更多的新认识新方法新结果，而AR6已经走过了一大步。最后，翻译一段我很喜欢的两段，来自于IPCC第一工作组报告第七章1007页。

长期以来，人们对ECS估计为1.5℃-4.5℃这一范围达成了共识。在这一道路上，值得记住许多争论都在挑战这一估计的量级。这开始于早在1900年的ngstrm，批评了1896年Arrhenius的结果，认为大气中的红外吸收已经饱和，因此增加更多的二氧化碳不会导致变暖。ngstrm的断言在半个世纪后被认为是不正确的。历史上有大量的研究(例如，Svensmark, 1998;Lindzen等人，2001;Schwartz, 2007)主要暗示ECS很可能低于这里评估的范围。然而，也有相反的例子，例如基于更新世记录的非常大的ECS估计(Snyder, 2016)，由于缺乏对轨道强迫和长期冰盖反馈的考虑，已被证明高估了(Schmidt et al.， 2017b)，或暗示未来可能发生全球气候不稳定(Steffen et al.， 2018;施耐德等人，2019)。然而，没有证据表明在过去6500万年的古记录温度中发生了如此大规模的非强迫不稳定性(Westerhold等人，2020)，只有可能低于古新世-始新世热最大值(PETM)偏移(第5.3.1.1节)，该偏移发生在比当今水平高10°C以上的气候条件上(Anagnostou等人，2020)。回顾过去，由此产生的辩论加深了人们的理解，加强了共识，并具有科学价值。
在气候科学中，通常有很好的理由来考虑代表深度不确定性，或有时被称为“未知的未知”。这在一个考虑系统既复杂，同时又具有观察挑战性的领域是很自然的。例如，由于紧急约束代表了一个相对较新的证据线，重要的反馈机制可能在过程级理解中有偏见;模式效应和气溶胶冷却可能很大;而且旧石器时代的证据本质上是建立在过去气候状态的间接和不完整的证据之上的，当然可以有正当的理由在根据个别证据线评估的范围上增加不确定性。但是，由于这里评估的所有证据都不可能集体有偏见，也不可能评估对单行证据敏感，因此不认为深度不确定性是构建ECS综合评估的必要条件。

希望大家都能在争论和质疑中处世不惊、在深度不确定性中去降低不确定、在未知的未知中去寻找未知，这是科学精神，也是人生道路。