Respons på marin sky lysende i et multimodell ensemble.

ET LITE UTDRAG FRA DEN NORSKE FORSKEREN HELENE MURI SITT MODELLPROSJEKT VEDR GEOENGINEERING!

Helene Muri2017, Atmosfærisk kjemi og fysikkdiskusjoner

1 Visning20 Sider

2 Filer ▾

Atmosfæriske vitenskaper…mer ▾

Vis mer ▾

Her viser vi resultater fra Earth System Model simuleringer fra det marine skylyseksperimentet G4cdnc fra Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP). De ni medvirkende modellene foreskriver en 50 & tynn;% økning i konsentrasjonen av skydråpetall (CDNC) av lave skyer over de globale havene, med det formål …les mer

Respons på marin sky lysende i et multimodell ensemble Camilla W. Stjern 1,2 , Helene Muri 2 , Lars Ahlm 3,4 , Olivier Boucher 5 , Jason N. S. Cole 6 , Duoying Ji 7 , Andy Jones 8 , Jim Haywood 8 , Ben Kravitz 9 , Andrew Lenton 10 , John. C. Moore 7,11,12 , Ulrike Niemeier 13 , Steven J. Phipps 14 , Hauke Schmidt 13 Shingo Watanabe 15 , Jón Egill Kristjánsson 2, † 1 CICERO Center for International Climate and Environmental Research Oslo, Oslo, Norge 5 2 Institutt for geovitenskap, Universitetet i Oslo, Oslo, Norge 3 Institutt for meteorologi, Stockholms universitet, Stockholm, Sverige 4 Bolin Center for Climate Research, Stockholm University, Sverige 5 Laboratoire de météorologie dynamique, Université Pierre et Marie Curie, Paris, Frankrike 6 Kanadisk senter for klimamodellering og analyse, miljø og klimaendringer Canada, Victoria, Canada 10 7 College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing, Kina 8 Møtte Office Hadley Center, Exeter, Storbritannia 9 Atmospheric Sciences and Global Change Division, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, USA 10 CSIRO Oceans and Atmosphere, Hobart, Australia 11 Joint Center for Global Change Studies, Beijing, 100875, Kina 15 12 Arctic Center, University of Lapland, P.O. Boks 122, 96101 Rovaniemi, Finland 13 Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg, Tyskland 14 Institute for Marine and Antarctic Studies, University of Tasmania, Hobart, Australia 15 Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, Yokohama, Japan † Døde 14. august 2016 20 Korrespondanse til: Camilla W. Stjern (camilla.stjern@cicero.oslo.no

Sammendrag. Her viser vi resultater fra Earth System Model-simuleringer fra det marine skylyseksperimentet G4cdnc fra Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP). De ni medvirkende modellene foreskriver 50% økning i skydråpetallkonsentrasjonen (CDNC) av lave skyer over de globale havene, med det formål 25 motvirke den strålende kraften på grunn av menneskeskapte klimagasser under RCP4.5-scenariet. Modellensemblet median effektiv strålekraft (ERF) utgjør -1,9 Wm -2 , med en betydelig spredning mellom modeller på -0,6 til -2,5 Wm – 2 . Den store spredningen er delvis relatert til de betydelige forskjellene i skyer og deres representasjon mellom modellene, med en undervurdering av lave skyer i flere av modellene. Alle modeller spår en statistisk signifikant temperatur reduksjon med en median på (for år 2020-2060) -0,95 [-0,18 til -1,19] K i forhold til RCP4.5-scenariet, spesielt 30 sterk avkjøling over kontinenter med lav breddegrad. Globalt gjennomsnitt er det en svak, men betydelig nedbørsmengde på – 2,24 [-0,49 til -2,90]% på grunn av et kaldere klima, men på lave breddegrader er det en økning på 1,20% over land. Denne økningen er del av en sirkulasjonsendring der en sterk negativ TOA-kortbølgekraft over subtropiske hav, forårsaket av økt albedo assosiert med den økende CDNC, kompenseres av økende bevegelse og positive TOA langbølgesignaler over tilstøtende landregioner.

1 introduksjon Parisavtalen fra FNs rammekonvensjon om klimaendringer (UNFCCC) 2015 21 st Konferanse av parter (UNFCCC, 2015) med sine ambisiøse mål om å begrense den globale oppvarmingen til 2 oC, hvis ikke 1,5 oC for å unngå farlig 40 klimaendringer har vakt bekymring for hvordan man faktisk når disse målene. Klimateknikk, også referert til som geoengineering, kan betraktes som en del av en responsportefølje for å bidra til å nå slike mål. Klimateknikk kan defineres som en bevisst modifisering av klimaet for å lindre negative effekter av menneskeskapt klima endring (Sheperd, 2009). Marine sky Brightening (MCB) er en slik teknikk (Latham, 1990), som faller inn i

kategori av solstrålingshåndtering eller albedo-modifisering, og har som mål å avkjøle klimaet ved å øke mengden solstråling reflektert av jorden. MCB-metoden innebærer å tilsette egnede skykondensasjonskjerner (CCN), for eksempel havsalt, i det marine grenselag. Ettersom eksisterende skydråper har en tendens til å fordele seg på de tilgjengelige kjernene, er et større antall CCN har potensial til å forbedre konsentrasjonen av skydråpetall (CDNC) i en sky, som (gitt konstant flytende vann 5 stier) kan redusere dråpestørrelsene og derfor øke skyen albedo (Twomey, 1974). I virkeligheten er imidlertid slutten resultatet av å legge CCN til det marine grenselaget er svært usikkert, ettersom det er mange prosesser involvert – hver av som har en rekke avhengigheter og usikkerheter. For eksempel simulerte Alterskjær og Kristjánsson (2013) havsalt såing av marine skyer ved bruk av Norwegian Earth System Model (NorESM), og fant det for såing av partikler over eller under gitte størrelsesterskler, førte en sterk konkurranseeffekt til slutt til en oppvarming av klimaet, i strid med 10 intensjon. Chen et al. (2012) studerte observasjoner av skipsspor og fant ut at størrelsen og til og med tegnet på albedo-respons er avhengig av mesoscale-skystrukturen, den frie troposfæriske fuktigheten og skyhøyden. Tilsvarende Wang et al. (2011), ved bruk av WRF-modellen, fant at effektiviteten av sky albedo-forbedring er sterkt avhengig av meteorologiske forhold og aerosolkonsentrasjoner i bakgrunnen. Det er derfor et stort behov for mer studier av prosessene bak og mulige effekter av MCB. 15 Eksisterende modellstudier av MCB (f.eks. Alterskjær et al., 2013; Bala et al., 2011; Bower et al., 2006; Jones et al., 2009; Latham et al., 2014; Philip et al., 2009; Stuart et al., 2013; Wang et al., 2011) har belyst potensielle fordeler, f.eks når det gjelder klimakjøling, så vel som ulemper, f.eks. hydrologiske syklusendringer. For eksempel, mens alt det ovennevnte studier viser at MCB “ fungerer ” når det gjelder kjøleklima, et spinn-nedgang av den hydrologiske syklusen i det kjøligere klimaet fører til redusert nedbør i det globale gjennomsnittet, med potensielle skadelige effekter på mennesker og vegetasjon (Muri et 20 al., 2015). Jones et al. (2009) fant en betydelig tørking for Amazonasbassenget fra å øke CDNC i havet stratocumulus dekk. Bala et al. (2011) bemerket at differensiell avkjøling av hav (der skyer ble modifisert) kontra land kan føre til sirkulasjonsendringer (sett også i Alterskjær et al. (2013)) som involverer synkende bevegelse over hav og stigende bevegelse over land, som derfor kan oppleve en økning i nedbør. Dermed kan MCB ha veldig forskjellig regionale effekter. F.eks. Latham et al. (2014) undersøkte mulige gunstige regionale effekter av MCB, og finner ut at MCB 25 kan bidra til å stabilisere det vestantarktiske isarket. Sammenligning mellom studier har imidlertid vært vanskelig, delvis på grunn av forskjellig eksperimentell design. For å forsøke å lindre dette problemet, Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) initierte en serie eksperimenter der modellene skulle simulere MCB på en bestemt måte, med forskjellige grader av kompleksitet i simuleringsdesignet (Kravitz et al., 2013). G1ocean-albedo-eksperimentet foreskriver en økning i havalbedo i modellene med en hastighet som er ment å oppveie økende globale temperaturer som svar på en 30 firedobling av atmosfærisk CO2 konsentrasjoner. G4cdnc-eksperimentet simulerer en økning i CDNC for lav marine skyer som beskrevet mer detaljert i avsnitt 2. Endelig innebærer G4sea-salt-eksperimentet en økning i havsaltutslipp over tropiske hav med en hastighet som er ment å produsere en strålende kraft – 2,0 Wm -2 under RCP4.5-scenariet. De tre eksperimenter har en økende grad av kompleksitet eller realistisk representasjon.

Mindre idealiserte eksperimenter, for eksempel simuleringer av havsaltinjeksjon, vil omfatte flere av prosessene i spillet mellom 35 geoengineering og klimakonsekvenser. Slike eksperimenter har lært oss for eksempel at en vesentlig del av avkjølingen vil stamme fra direkte aerosoleffekter, og at de indirekte skyeffektene bare er en del av en rekke svar fra klimasystem (Ahlm et al., 2017; Alterskjær et al., 2012; Partanen et al., 2012). For å få en tydeligere forståelse av årsakene til intermodellen spredt i skyrespons, ser vi derfor nærmere på det enklere eksperimentet

3 G4cdnc, hvor bare forstyrrelser i skysimuleringer blir gjort. Begrunnelsen for å utføre mer forenklet simuleringer som G4cdnc er at mange modeller kan delta, noe som gir et mer komplett flermodellensemble, men også at den romlige klimaresponsen i nær overflatetemperatur og nedbør der CDNC forstyrres direkte i en enkelt fullstendig koblet GCM ligner det når aerosol-mikrofysikk er inkludert eksplisitt (Jones et al., 2009; Jones og Haywood, 2012). I denne artikkelen gir vi en innledende oversikt over klimaresponsen i G4cdnc eksperiment 5 med spesielt fokus på atmosfæren. Hovedmålet vårt er å bestemme rekke svar knyttet til en slik tvinge og dessuten vurdere i hvilken grad klimaeffektene er avhengig av mengde, type og beliggenhet av skyer. I neste avsnitt beskriver vi G4cdnc eksperimentell design, og dataanalysetilnærmingen. Avsnitt 3 gjennomgår modellklimatologier, med spesielt fokus på forskjeller i skyer. Resultater fra klimateknisk eksperiment er 10 presentert i avsnitt 4, avsnitt 5 gir diskusjonen, mens konklusjoner trekkes i seksjon 6. 2 Data og metoder 2.1 G4cdnc eksperimentdesign G4cdnc eksperiment bruker CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project 5) RCP4.5 (Taylor et al., 2012) scenario 15 som grunnlinjen. RCP4.5 er midtveisscenariet og antar fortsatt økning av klimagassutslipp fra dagens nivåer (om enn med redusert hastighet fra et ikke-politisk scenario som RCP8.5), etterfulgt av en nedgang fra år 2040 og stabilisering innen år 2100, da den antropogene strålingsstyrken utgjør 4,5 Wm -2 ovenfor preindustrial nivåer (Meinshausen et al., 2011). G4cdnc eksperiment starter klimateknikken i år 2020, og foreskriver en 50% økning i antall skyer av marine lave skyer. Marine lave skyer er definert som skyer 20 under 680 hPa over havnettbokser på alle breddegrader, bortsett fra hvor havis er til stede. Eksperimentet kjøres i 50 år, fra 2020 til 2069, hvoretter skyen blir lysende avsluttet, og simuleringene videreføres i ytterligere 20 år (til 2089) for å vurdere avslutningseffekten. Ni CMIP5-modeller deltok i eksperimentet. Oppsigelsen periode ble bare undersøkt i seks av modellene. Se tabell 1 for en liste over deltakende modeller. I det nevnte G4sea-salt eksperiment, blir havsaltpartikler injisert nær havoverflaten for å simulere hele 25 livssyklus fra aerosolinjeksjoner til klimaeffekter (Ahlm et al., 2017). G4cdnc-eksperimentet forenkler imidlertid behandle og adresserer justering av antall skydråper uten en faktisk økning i noen skykondensasjonskjerner (CCN) fra sjøsprøyting. Følgelig vil de resulterende klimaeffektene bare omfatte aerosol-sky interaksjoner og vil ikke inkludere aerosolstrålingsinteraksjoner (Boucher et al., 2013) eller klimasystemets justeringer av dem. Merk også at i BNU-ESM måtte 50% økning i CDNC oppnås gjennom en direkte endring av flytende dråpestørrelse, som 30 betyr at eksperimentoppsettet er litt forskjellig fra de andre modellene.