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人为热释放全球气候效应及气候反馈机理的研究


近日,中国科学院JCR一区 SCI期刊《Climate Dynamics(2019最新影响影子IF=4.05) 正式刊出由我院陈兵副教授,吴涧教授和樊雯璇博士作为共同作者, 及合作者共同完成的题为《Seasonal climatic effects and feedbacks of anthropogenic heat release due to global energy consumption with CAM5 》的研究论文( )。该研究成果针对目前全球气候模式中尚未考虑的能源消费导致的人为热释放的加热效应,首次提出其不同季节的全球气候效应及对全球气候反馈机理。

       人为热释放是人类生产和生活中大量消费各类能源,最终以热量的形式排入地气系统。目前气候变化的研究过多集中于温室气体,气溶胶和云等领域的研究,人为热释放全球平均通量很小,仅有0.03 W m-2,人为热释放在在全球气候变化中作用易被忽视。人为热释放作为地气系统中外加的强迫热源,可以增加近地层大气的感热和潜热,影响到近地层的能量平衡,进而对城市局地气候、区域气候产生影响,它是城市气候形成的重要影响因子(IPCC AR4)。人为热释放全球分布具有区域集中的特点:在人口聚集工业发达的城市地区可以高达数百瓦甚至上千瓦每平米(IPCC, AR4),在人口稀少的荒漠地区几乎为0。这种区域分布很不均匀的特征是人为热释放形成区域乃至全球气候效应重要的物理机制,并且随着全球经济发展和城市化进程的发展,人为热释放的气候效应在不断增强。以往针对人为热释放气候效应的研究过多集中于城市区域气候的尺度,针对以往研究存在的不足,本研究工作探索人为热释放的全球气候效应和气候反馈机制。

1. 应用美国NOAA DMSP/OLS卫星数据,结合能用消费数据,实现了高精度格点的人为热释放全球格点年际分布的估算,突破了以往研究中人为热释放估算格点过粗,无法适用于气候模式研究的局限。相关成果在《J. Meteoro. Soci. Japan(2014, 2015),Int. J. Climatology(2016) 等期刊上。


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Fig.1 Estimation of the distribution of global AHR in the year 2013 (resolution: 0.1° × 0.1°; unit: W m?2).    (Chen Bing et al., 2019)


 2. 建立了适用于全球格点模式的模式参数化方案。目前已经应用于美国国家大气研究中心NCAR开发的CAM5模式,相关成果2018年在线发表在《Climate Dynamics》;以及代表中国参加IPCC AR4AR5的由中国科学院大气物理研究所开发的GAMIL模式,相关成果发表在《Int. J. Climatology (2016) 和《J. Meteoro. Soci. Japan(2014)

3.  人为热释放的全球气候效应和气候反馈机制的研究。

       以往的研究表明(Zhang et al., 2013; Chen et al., 2014 and 2016) 分别应用不同全球气候模式研究发现,能源消费导致的人为热释放加热效应可以引起北半球中高纬度地区升温明显,可达1~2℃,尤其是冬季最为明显,并且冬季和夏季存在较大的差异性。由于Zhang et al. (2013) 的研究中能源消费格点过少且精度不高,Chen et al. (20142016) 中使用的气候模式格点过粗等限制,模式结果存在一定误差。并且对能源消费导致的人为热释放的加热效应引起的全球气候变化的物理机制以及不同季节的气候效应的差异性等缺乏研究。针对以往研究中存在的不足,通过应用目前美国NCAR开发的CAM5模式, 应用实测海温SST和海冰,耦合陆面模式CLM4,研究人为热释放全球气候效应季节差异和气候反馈机理。研究结果发现(Fig.2 所示),人为热释放在不同季节对全球气候影响具有明显差异性,而夏季和冬季的气候效应最明显。人为热释放夏季对欧洲地区具有明显加热效应,而冬季对亚欧大陆中高纬度地区具有明显的升温效应。同时研究结果表明,人为热释放可以影响到全球的低层大气稳定度(LTS), 影响到全球低云的云量和全球地表能量平衡(Fig.3 所示),对全球地表温度产生影响。研究发现,人为热释放的加热效应导致欧洲地区夏季低云减少从而导致到达地表的短波辐射增多,引起欧洲地区夏季增温。这对研究欧洲热浪来说,提供了新的研究机制。冬季可以引起亚欧大陆中高纬度地区向下的长波辐射明显增多,从而导致该地区冬季升温明显。


Fig.2  The effects of AHR on global land mean surface temperature (unit: K): (a) in boreal spring (MAM); (b) in boreal summer (JJA); (c) in boreal autumn (SON); and (d) in boreal winter (DJF). The plus signs in Fig. 3 denote the change is statistically significant at the 0.10 level.  (Chen Bing et al., 2019)  


Fig.3  The effects of AHR on the energy balance at the surface (unit: W m-2): (a) the net shortwave flux at the surface in boreal spring (MAM); (b) the net shortwave flux at the surface in boreal summer (JJA); (c) the net shortwave flux at the surface in boreal autumn (SON); (d) the net shortwave flux at the surface in boreal winter (DJF) and (e) the downwelling longwave flux at surface in boreal winter (DJF). The plus signs in Fig. 9 denote the change is statistically significant at the 0.10 level.  (Chen Bing et al., 2019)


本研究在以往研究基础上,取得重要研究进展。本研究全面分析了人为热释放全球气候效应的季节差异性和气候反馈和机制,对于理解人类活动对气候的影响和研究全球变暖具有非常重要的科学意义。人为热释放导致的加热效应不仅能够影响区域气候,而且能对全球气候产生影响。本研究更新了人们对人为热释放气候效应的认识,突破了以往研究中存在的局限于区域尺度气候效应的不足。能源消费导致的人为热释放加热效应是除温室气体排放,气溶胶排放和地表覆盖和土地利用改变(LUCC)之外,是人类活动对气候影响的重要一方面,它对全球变暖起到放大作用,是全球气候变化一个不可忽视的影响因子。与温室气体使得地气系统出射的长波辐射减少,从而导致地气系统增暖的温室效应不同,能源消费引起的人为热释放加热效应类似在地表安装了电热毯,而这种加热效应是非均匀性的,主要集中于城市群,并且伴随着全球城市化进程的加剧,其气候效应在不断增强。这种加热效应会伴随人类社会的存在而长期存在。

       云南大学大气科学系云南省低纬高原大气环境与边界层过程重点实验室作为第一单位,陈兵博士作为第一作者,美国University of Wyoming大气科学系 Liu Xiaohong教授作为通讯作者, 吴涧教授和樊雯璇博士作为合作作者。本研究获国家自然科学基金 (No.41505126)和云南省优秀青年培育基金项目 (2018YDJQ011)资助。


相关文献

? Chen Bing, Wu C., Liu X.*, et al., 2019: Seasonal climatic effects and feedbacks of anthropogenic heat release due to global energy consumption with CAM5, Climate Dynamics, 52:6377–6390,   .

? Chen Bing, Dong L., Liu X., Shi G.Y., T. Nakajima, Chen L.*, 2016: Exploring the Global Climatic Effect of Anthropogenic Heat Release: A Global Climate Model Study, Int. J. Climatology, 36, 4790–4796, doi: 10.1002/joc.4669.  

? Chen Bing, Zhao J.Q., Chen L.*, and Shi G.Y., 2015: Reply to the comments of F. Fujibe on "Anthropogenic Heat Release: Estimation of Global Distribution and Possible Climate Effect" by Chen B. et al., J. Meteoro. Society Japan, 93(4), 505-508, doi:10.2151/jmsj.2015-028.

? Chen, Bing, Dong L., Shi G.Y., Li Li-Juan, and Chen L.*, 2014: Anthropogenic Heat Release: Estimation of global distribution and possible climate effect, J. Meteoro. Society Japan, 92A, 157-165, doi:10.2151 /jmsj.2014-A10.  

? Zhang G., Cai M.*, Hu A., 2013: Energy consumption and the unexplained winter warming over northern Asia and North America. Nat. Clim. Change 3:466–470.

 
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