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Timothy J. Osborn AElig; Sarah C. B. Raper Keith R. Briffa

过去一千年的气候变化模拟：将ECHO-G总体循环模型与MAGIC简单气候模式进行比较

收到：2005年5月24日/接受日期：2006年1月19日/在线发布：2006年3月22日

摘要：

八个气候模拟的比较，每个气候模拟都是在最后一个千年估计的自然和人为因素强迫下进行的，表明ECHO-G耦合海洋大气气候模式的所谓“Erik”模拟表现为非典型性行为。ECHO-G模拟的冷却趋势从1000年到1700年，自1800年以来的升温速度高于其他模拟，结果是ECHO-G模拟的千年级温度变化比其他模拟型号的总体幅度要大得多。MAGIC（温室气体诱发气候变化评估模型）简单气候模型用于调查这种非典型行为的可能原因。显示初始条件下的不平衡可能对模拟早期的几个世纪的冷却趋势产生虚假的作用，而对流层硫酸盐气溶胶强迫的排除可能是近期变暖异常现象的可能解释。简单的气候模型结果用于调整ECHO-G Erik模拟以减轻这些影响，从而使模拟与此处考虑的其他七个模型更好地一致，并大大降低了ECHO -G模拟的上个世纪的温度变化范围。 仍然存在较小的模型间差异，这可能通过每个实验的特定强制历史和模型敏感性的组合来解释。尽管我们已经将ECHO-G的有效气候敏感性确定为二氧化碳的二乘为2.39plusmn;0.11 K，但这些尚未被调查。

1.引言

MAGICC（温室气体诱发气候变化评估模型）简单气候模型（Wigley and Raper 1992,2002）包括一个表面能量平衡与一维海洋柱模型，将一个垂直的热传递过程参数化 对流（上升流）和扩散的组合。唯一的横向分辨率由每个半球内的陆地和海洋区域的单独表示（共四个框）提供。 然而，对于其各种参数的适当选择（即调谐），MAGICC模型能够紧密地复制由更复杂的总体循环模型（GCM）模拟的快速增加的温室气体的半球和全球尺度的反应（例如Kattenberg等人1996年的图6.17; Raper和Cubasch 1996; Raper等人2001 ）。MAGICC已被广泛用于生成未来的气候变化情景，因为它能够利用几个可调参数来复制一些GCM行为，这样就可以在GCM尚未运行的一系列辐射强制场景下快速运行 （Kattenberg等人1996; Cubasch等人2001; Wigley和Raper 2002）。也很容易探索气候响应对模型参数空间的依赖（Wigley和Raper，2001）。 其他简单的气候模型已被用于类似的目的（Harvey等人1997; Kheshgi和Jain 2003; Yohe等人2004）。

包括MAGICC在内的简单气候模型也被用于模拟对可能发生的较小辐射强迫变化的响应在近几个世纪和最后的千年中（例如，Free and Robock 1999; Crowley 2000; Crowley等人2003; Foukal等人2004）。在中等复杂性和GCM气候模式下也进行了类似的模拟（Bertrand et al。2002; Bauer et al.2003; Gerber et al。2003; von Storch et al。2004; SFBTett et al，提交出版; CM Ammann等人，提交出版）。一个这样的基于GCM的实验是“Erik”模拟，使用ECHO-G模型运行了近1000年（von Storch等人，2004年;也参见第2节）。 这些模拟的视觉比较（见第3节）表明了“Erik”模拟表现出与其他实验相当不同的行为，具有更多的百年一遇的北半球（NH）温度变化。本文的目的是证明MAGICC模型具有适当的调整能够在全球和半球尺度上严密地重现ECHO-G Erik模拟，并可用于调查Erik模拟的非典型行为的可能原因。

探索MAGICC模型在这段时间内能够复制ECHO-G Erik模拟的行为本身就是一个有价值的测试，因为大多数以前的比较集中于未来的变化，当强制变化通常是一个符号（增加），并且响应的时间尺度在很大程度上被强烈增加的强制的时间尺度确定。在过去的一千年中，气候强制（第2节）随时间推移而增加和减少，强制变异性的结构强调了MAGICC模拟新气候平衡方法的能力以及更直接的对短暂强迫变化的反应。气候敏感性由ECHO-G Erik模拟（第4节）进行诊断，然后在MAGICC模型中与其他参数的调整一起使用（Sect.5），以试图复制Erik模拟。至少部分获得了成功，然后调整的MAGICC模型用于调查ECHO-G Erik模拟器的非典型行为的可能解释与上一次的其他仿真相比较1000年这里考虑的因素是在实验的初始条件下的不平衡和在20日没有任何负面强迫世纪对流层硫酸盐气溶胶（第6节）。这些因素在解释不同行为中的重要性然后在Sect， 7通过返回与其他模型模拟的比较。最后，结论将在Sect，8.一项有关的研究（Goosse et al，2005）出版了本研究完成;这里获得的结果对Goosse等人（2005）的结论的影响也在Sect，8中讨论。

2.ECHO-G模型和Erik模拟的描述

ECHO-G气候模式（Legutke和Voss 1999）包括与HOPE-G海洋GCM耦合ECHAM4大气GCM，均在汉堡的Max-Planck-Meteorology研究所开发。这里使用的模拟是由德国GKSS海岸研究所和西班牙马德里康科德大学进行的。 用于Erik模拟的配置（所谓的由于开始日期和绿地由Erik Red之间的相似性）在大气中有19个垂直水平，在海洋中有20个垂直水平，水平分辨率约为3.75（大气 ）和2.8（海洋）纬度和纬度（热带地区海洋子午线分辨率提高，赤道达到0.5）。 为了使耦合模型能够在接近真实的当今气候的情况下保持模拟气候，漂移最小，大气和海洋之间的热和淡水通量由调整期的恒定（及时）领域修改。

使用设定为当前值的固定外部强制（太阳常数= 1365W m 2; [CO 2] = 353ppm; [CH 4] = 1,720ppb;产生1000年控制模拟（Zorita等人2003） N2O] = 310ppb）。 通量调整成功地防止了全球平均2米空气温度的长期漂移，尽管区域变化确实发生在南半球（SH）的变暖，而在NH的冷却约为0.2K， 年运行（有关模型漂移的更多细节，请参见第6节）。

“Erik”模拟（Gonzalez-Rouco等人2003; von Storch等人，2004）是将气候变化从1000年到1990年作为对自然的反应的尝试和人为的强迫。 ECHO-G模型的输入包括以下强制措施：（i）CO2，CH4和N2O混合温室气体浓度（包括二氧化碳和CH4前工业化波动）的人为和自然波动的组合; （ii）太阳辐照度的自然变化由克劳利（2000）从Lean等人的组合产生的（1995）太阳黑子估计和宇宙同位素10Be的冰芯记录，但与由于Gonzalez-Rouco等人的缩放，克劳利（2000）系列的幅度更大。 （2003）应用于匹配其与Lean等的差异。 （1995）时间20世纪（von Storch et al。2004，补充资料）;和（iii）火山气溶胶的自然变化，参数为减少太阳能根据Crowley（2000）发现，辐照度。 Erik实验中并没有包含许多潜在的重要的强迫措施，其中最引人注目的是由于20世纪人为的对流层硫酸盐气溶胶引起的负面强迫，而且还有其他一些温室气体（卤化碳和臭氧）的变化和影响的土地利用变化。

Erik模拟的初始条件取自控制运行的第100年。然而，这些初步条件是当今的代表而不是工业前气候，因此实验设计包括30年的调整期间，在此期间，控制强制线性减少，直到与适应于公元1000年的强制相匹配，随后是50年固定的固定186 Osborn等在过去的1000年中，模拟气候变化迫使模型的气候对减少的强制作出反应（太阳常数= 1,364.92 W m2; [CO2] = 283ppm; [CH4] = 691ppb; [N2O] = 277 ppb）。然后Erik模拟从后期结束的条件进行。在Erik模拟开始之后，继续调整的可能性在辐射强迫的初始降低中被考虑。所有强迫因素的总和如图1所示。包括1000之前的调整期（第4节描述了该强制的计算）。

3.Erik模拟与其他模拟的比较

图2a显示了至少在过去的1000年中发表的许多已发表的气候模拟的比较（也包括了1500-1999的HadCM3模拟）。这些基于能量平衡，中间复杂性和基于GCM的气候模型（参考文献在标题中给出），包括ECHO-G的Erik模拟。模拟温度的模型间传播不仅仅归因于不同的模型行为，因为每个模拟之间的初始条件和辐射强度都不相同。显示的模拟参数是每年的NH平均温度，平滑并表示为异常值1901-1960参考期。选择平均NH温度是因为与现有的稀疏气候代理记录相比，由于难以重建SH中的过去温度，因此与古气候重建相比，它们比其他地区/变量更频繁地进行比较（Mann和Jones 2003）。然而，从这些模拟的全球平均温度（未显示）的相互比较可以获得类似的印象。

各种模拟模拟在1901 - 1960年参考期间显示出显着的差异，单个模拟的大部分“分歧”发生在1700年和1900年之间。在1700年之前，模拟大致相互平行，但ECHO除外 -G Erik模拟。 该模型运行在1520和1850之间的所有运行中都是最酷的，但是在1000到1150之间是最暖的之一。图 2a倾向于将焦点转向“小冰河时代”时期的相对冷静的差异，因此也解释了这种酷炫的差异，如模型敏感性或应用的特定强制[例如 曼恩等人 （2005）认为，在本实验中使用的太阳能强制异常大，尽管在图3中的每个模拟中应用的太阳能强迫历史的比较。 图2表示强迫差异的大小相对较小]

参考时期的变化给出了相当不同的视觉印象。 图2b显示了相同的NH温度模拟，但现在表示为从1500-1899年的异常。 图2b中的每条曲线只是从图1中的位置垂直移动。 如图2a所示，数量等于之间的差值1901-1960和1500-1899每个系列的手段。如图2b所示，ECHO-G Erik模拟显然与其他模型运行具有不同的行为，在1250年之前更暖和，而且在最后两个世纪也有相当大的变暖。 调查这种不典型的可能原因，使用MAGICC简单气候模式的行为是本文剩余部分的重点。

图1 辐射史强迫ECHO-G Erik模拟，包括1000之前的突击期。 强迫结合太阳能，火山和温室气体变化。 价值观是表示为异常强制用于ECHO-G现在控制运行，用虚线标出

4.诊断Erik的平均有效气候敏感性和参考温度

大多数MAGICC模型参数不具有与ECHO-G模型的参数或诊断的直接物理对象（例如，尽管HOPE海洋GCM使用垂直热扩散系数的特定值，但该值不适用于MAGICC垂直 扩散性，因为在MAGICC中，该术语用于表示全部范围的热渗透过程，而不仅仅是扩散）。 可以从GCM模拟数据中诊断某些参数的适当值[Raper et al. （2001）实际上尝试从具有HadCM2气候模型的模拟中诊断海洋垂直扩散系数的适当值]，但在大多数情况下，它更简单（并且需要较少的GCM数据）通过反复试验来估计参数值。 一个例外是气候敏感性，可以直接从GCM模拟中诊断。

全局平均表面能量平衡可以近似为 Delta;Q=lambda;Delta;T F，只需要任何异常辐射应用于模型的强制（Delta;Q）被平衡气候系统热含量变化率（F）和一个扰动到长波辐射热损失空间，这本身就是表面温度的线性函数异常（Delta;T）。

图2 北半球平均温度时间序列比较

注：通过能量平衡模型模拟（橙色：克劳利2000）;中间复杂度模型（蓝色：Bertrand等人2002;粉红色和黑色：Bauer等人2003，太阳辐照度变化估计使用14C和10Be记录; 棕色：Gerber et al。 2003年气候敏感度为2.5 KCO2倍增）; 和基于循环模型的总体气候模式（红色：ECHO-G，Gonzalez-Rouco等人 2003;绿色：NCAR CSM，C.M.Ammann等人，提交出版物; 紫色：HadCM3，Widmann和Tett 2003; S.F.B.Tett等人提交出版物）。 每个系列表示为在1901 - 1960年间平均计算的异常值; 和b和c 1500-1899;并用30年过滤器平滑。 在（c）中，红色ECHO-G线根据早期气候漂移和本文获得的最近硫酸盐气溶胶冷却的估计进行了调整

然而，由于GCM通常被认为表示对流层顶部的强制，因此需要对平流层温度的任何变化进行调整（Hansen等，1997），因此，对GC的适当值并不直接从GCM计算。 Gregory 等人演示了如何EQ1可以用于从瞬态GCM模拟估计气候敏感性和Delta;Q，前提是在模拟期间Delta;Q是恒定的（即强制的阶梯函数变化，然后在模拟的长度上维持）。Gregory 等人的方法不能在这里使用，因为在ECHO-G Erik模拟期间强制不是恒定的;因此，强制是直接从模型规定的输入估计的。由于温室气体变化引起的强迫使用Ramaswamy等人表6.2中给出的算法进行了估算。这与已知的辐射强迫相结合，以更换有效太阳辐射的形式应用于模型，以代表太阳和火山强迫的组合（参见第2节）。有效的太阳辐照度除以4（地球表面面积与地球太阳能通量面积的比率）截距），并在仿真期间乘以平均行星煤层气。合并的温室气体，太阳能和火山强制如图1所示。

给定这个估计时间序列的Delta;Q（其可能非常接近于模型的实际强迫），以及Delta;T和F的实际模拟时间序列。EQ. 1可用于估计有效气候敏感性。然而，在进行这种计算之前，必须获得适当的Delta;Q和Delta;T参考值（F是气候系统的海洋和陆地表面的绝对热增益，而不是某些参考时期的异常）。问题并不像表达强迫和温度一样简单，作为一些参考期间的异

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