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人為熱釋放全球氣候效應及氣候反饋機理的研究


近日,中國科學院JCR一區 SCI期刊《Climate Dynamics(2019最新影響影子IF=4.05) 正式刊出由我院陳兵副教授,吳澗教授和樊雯璇博士作為共同作者, 及合作者共同完成的題為《Seasonal climatic effects and feedbacks of anthropogenic heat release due to global energy consumption with CAM5 》的研究論文( https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-018-4528-1 )。該研究成果針對目前全球氣候模式中尚未考慮的能源消費導致的人為熱釋放的加熱效應,首次提出其不同季節的全球氣候效應及對全球氣候反饋機理。

       人為熱釋放是人類生產和生活中大量消費各類能源,最終以熱量的形式排入地氣系統。目前氣候變化的研究過多集中于溫室氣體,氣溶膠和云等領域的研究,人為熱釋放全球平均通量很小,僅有0.03 W m-2,人為熱釋放在在全球氣候變化中作用易被忽視。人為熱釋放作為地氣系統中外加的強迫熱源,可以增加近地層大氣的感熱和潛熱,影響到近地層的能量平衡,進而對城市局地氣候、區域氣候產生影響,它是城市氣候形成的重要影響因子(IPCC AR4)。人為熱釋放全球分布具有區域集中的特點:在人口聚集工業發達的城市地區可以高達數百瓦甚至上千瓦每平米(IPCC, AR4),在人口稀少的荒漠地區幾乎為0。這種區域分布很不均勻的特征是人為熱釋放形成區域乃至全球氣候效應重要的物理機制,并且隨著全球經濟發展和城市化進程的發展,人為熱釋放的氣候效應在不斷增強。以往針對人為熱釋放氣候效應的研究過多集中于城市區域氣候的尺度,針對以往研究存在的不足,本研究工作探索人為熱釋放的全球氣候效應和氣候反饋機制。

1. 應用美國NOAA DMSP/OLS衛星數據,結合能用消費數據,實現了高精度格點的人為熱釋放全球格點年際分布的估算,突破了以往研究中人為熱釋放估算格點過粗,無法適用于氣候模式研究的局限。相關成果在《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. 建立了適用于全球格點模式的模式參數化方案。目前已經應用于美國國家大氣研究中心NCAR開發的CAM5模式,相關成果2018年在線發表在《Climate Dynamics》;以及代表中國參加IPCC AR4AR5的由中國科學院大氣物理研究所開發的GAMIL模式,相關成果發表在《Int. J. Climatology (2016) 和《J. Meteoro. Soci. Japan(2014)

3.  人為熱釋放的全球氣候效應和氣候反饋機制的研究。

       以往的研究表明(Zhang et al., 2013; Chen et al., 2014 and 2016) 分別應用不同全球氣候模式研究發現,能源消費導致的人為熱釋放加熱效應可以引起北半球中高緯度地區升溫明顯,可達1~2℃,尤其是冬季最為明顯,并且冬季和夏季存在較大的差異性。由于Zhang et al. (2013) 的研究中能源消費格點過少且精度不高,Chen et al. (20142016) 中使用的氣候模式格點過粗等限制,模式結果存在一定誤差。并且對能源消費導致的人為熱釋放的加熱效應引起的全球氣候變化的物理機制以及不同季節的氣候效應的差異性等缺乏研究。針對以往研究中存在的不足,通過應用目前美國NCAR開發的CAM5模式, 應用實測海溫SST和海冰,耦合陸面模式CLM4,研究人為熱釋放全球氣候效應季節差異和氣候反饋機理。研究結果發現(Fig.2 所示),人為熱釋放在不同季節對全球氣候影響具有明顯差異性,而夏季和冬季的氣候效應最明顯。人為熱釋放夏季對歐洲地區具有明顯加熱效應,而冬季對亞歐大陸中高緯度地區具有明顯的升溫效應。同時研究結果表明,人為熱釋放可以影響到全球的低層大氣穩定度(LTS), 影響到全球低云的云量和全球地表能量平衡(Fig.3 所示),對全球地表溫度產生影響。研究發現,人為熱釋放的加熱效應導致歐洲地區夏季低云減少從而導致到達地表的短波輻射增多,引起歐洲地區夏季增溫。這對研究歐洲熱浪來說,提供了新的研究機制。冬季可以引起亞歐大陸中高緯度地區向下的長波輻射明顯增多,從而導致該地區冬季升溫明顯。


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礎上,取得重要研究進展。本研究全面分析了人為熱釋放全球氣候效應的季節差異性和氣候反饋和機制,對于理解人類活動對氣候的影響和研究全球變暖具有非常重要的科學意義。人為熱釋放導致的加熱效應不僅能夠影響區域氣候,而且能對全球氣候產生影響。本研究更新了人們對人為熱釋放氣候效應的認識,突破了以往研究中存在的局限于區域尺度氣候效應的不足。能源消費導致的人為熱釋放加熱效應是除溫室氣體排放,氣溶膠排放和地表覆蓋和土地利用改變(LUCC)之外,是人類活動對氣候影響的重要一方面,它對全球變暖起到放大作用,是全球氣候變化一個不可忽視的影響因子。與溫室氣體使得地氣系統出射的長波輻射減少,從而導致地氣系統增暖的溫室效應不同,能源消費引起的人為熱釋放加熱效應類似在地表安裝了電熱毯,而這種加熱效應是非均勻性的,主要集中于城市群,并且伴隨著全球城市化進程的加劇,其氣候效應在不斷增強。這種加熱效應會伴隨人類社會的存在而長期存在。

       云南大學大氣科學系云南省低緯高原大氣環境與邊界層過程重點實驗室作為第一單位,陳兵博士作為第一作者,美國University of Wyoming大氣科學系 Liu Xiaohong教授作為通訊作者, 吳澗教授和樊雯璇博士作為合作作者。本研究獲國家自然科學基金 (No.41505126)和云南省優秀青年培育基金項目 (2018YDJQ011)資助。


相關文獻

? 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,  https://doi.org/10.1007/s00382-018-4528-1 .

? 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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