对气候敏感性的整体视角

《Annual Review of Earth and Planetary Sciences》：A Holistic View of Climate Sensitivity

气候敏感度多层次结构及政策意义研究，系统梳理了ECS、TCR、TCRE、ZEC的定义与关联，揭示ECS评估存在 plateau 现象，而TCRE/ZEC因涉及海洋热吸收和碳排放预算成为政策核心。重点分析辐射强迫与反馈参数的耦合机制，指出海洋热吸收系数和 airborne fraction 的不确定性是制约因素，强调需综合模型层级评估气候响应。

　　气候敏感度是现代气候科学的核心概念之一，其最著名的定义是“平衡气候敏感度”（Equilibrium Climate Sensitivity, ECS），即大气中二氧化碳浓度翻倍时，地球系统达到平衡状态的温度响应。然而，气候敏感度并非单一指标，而是构成一个层次分明的体系，涵盖了从简单到复杂、从基础到高度相关性不同的多种度量。这一概念的演变反映了气候建模技术的发展历程，也揭示了我们对地球系统如何响应温室气体排放的理解不断深化。本文旨在系统性地介绍这一气候敏感度的层次结构，并探讨其在气候科学中的作用及未来研究方向。

### 气候敏感度的层次结构

在气候科学中，气候敏感度被分为多个层次，从最简单的模型估算到最复杂的地球系统模型（Earth System Models, ESMs）。这些度量的复杂性和社会相关性呈递增趋势，而它们的定义也反映了不同时间尺度和过程对气候响应的影响。例如，最基础的“Cess敏感度”是基于仅考虑大气的模型，而更复杂的指标则涉及海洋热吸收、碳循环反馈等。这些指标之间相互关联，更复杂的度量可以视为简单度量的函数。

其中，ECS是当前研究最为广泛的度量之一，通常被认为是衡量全球变暖潜力的综合指标。然而，随着研究的深入，人们发现ECS在实际计算中面临诸多挑战，例如需要很长的模拟时间来达到平衡状态，以及反馈参数可能与短期变暖不相关。因此，一些学者开始关注更复杂的指标，如“瞬态气候响应”（Transient Climate Response, TCR）和“累计排放瞬态气候响应”（Transient Climate Response to Cumulative Emissions, TCRE），以及“零排放承诺”（Zero Emissions Commitment, ZEC）。这些指标在实际政策制定中具有更高的相关性，因为它们可以更准确地反映碳排放对短期气候变化的影响。

TCR是指在二氧化碳浓度以1%每年递增直到翻倍的情况下，系统在第70年时的瞬态温度响应。它考虑了海洋热吸收的动态变化，因此比ECS更小。TCRE则是温度响应与累计排放量之间的比率，通常以K/GtC为单位，能够更直接地反映排放量对全球变暖的影响。ZEC是指在碳排放完全停止后，系统继续变暖的程度，它体现了气候系统在排放停止后的响应，因此对评估未来气候目标具有重要意义。

这些指标的层次结构不仅反映了模型复杂性的变化，也揭示了我们对地球系统反馈机制的理解逐渐从单一到多维。例如，ECS主要关注大气和海洋的长期平衡响应，而TCRE和ZEC则涉及碳循环和气候系统的短期变化。这种层次结构的存在意味着，要全面理解气候敏感度，必须考虑这些不同度量之间的相互关系。

### 气候敏感度与地球系统反馈

气候敏感度的核心在于“强迫”（forcing）和“反馈”（feedback）的概念。强迫指的是外部因素（如温室气体浓度变化）对地球系统辐射平衡的影响，而反馈则是系统内部对这种强迫的响应。在这些概念的基础上，气候敏感度可以被分解为多个组成部分，包括“平流反馈”（Planck反馈）、水汽反馈、垂直梯度反馈、地表反照率反馈和云反馈等。

近年来，研究者们对这些反馈机制有了更深入的认识。例如，“平流反馈”是指地表和大气温度升高时，地球向太空发射的长波辐射变化。早期的模型假设地表和大气温度变化时，水汽和大气层结的相对湿度保持不变，这在物理上并不合理，因为它忽略了水汽浓度变化对辐射平衡的影响。随后，研究者们引入了“长波清晰天空反馈”（Longwave Clear-Sky Feedback, LWCS）的概念，即在无云条件下，长波辐射的变化。这种反馈机制在不同模型中的表现较为稳定，且能较好地解释温度变化与强迫之间的关系。

云反馈是气候敏感度研究中的一个重要方面，但其在不同模型中的表现存在较大差异。这使得云反馈成为不确定性的重要来源之一。然而，随着研究的深入，云反馈的不确定性有所缩小，部分模型已能较好地捕捉其变化趋势。例如，研究表明，云反馈的正负取决于地表温度变化的模式，而这种模式在不同地区可能不同。这种“模式效应”（pattern effect）意味着，气候敏感度并非固定不变，而是随着地表温度变化的空间分布而变化。

### 海洋热吸收与气候响应

海洋热吸收是瞬态气候响应（TCR）和累计排放瞬态气候响应（TCRE）的重要组成部分。在气候模型中，海洋的热容量和热吸收过程对温度变化的响应具有决定性作用。例如，研究者们使用“双箱模型”（two-box model）来模拟海洋热吸收，其中浅层海洋（混合层）和深层海洋分别代表不同的热容量和热响应速度。这种模型能够较好地解释在多十年尺度上，海洋热吸收对温度变化的影响。

然而，这种模型在更长时间尺度上的适用性仍存在疑问。例如，长期模拟显示，深层海洋的温度变化与浅层海洋不同，这种差异可能会影响TCR和TCRE的准确性。因此，研究者们开始探索更复杂的模型，以更好地模拟海洋热吸收过程。此外，海洋热吸收还可能受到其他因素的影响，如洋流、海水混合速率等，这些因素在不同模型中的表现也存在差异。

### 碳排放与气候响应

TCRE和ZEC是当前气候敏感度研究中最重要的指标之一，因为它们直接反映了碳排放对气候系统的影响。TCRE的计算基于温度变化与累计排放量之间的比例关系，而ZEC则反映了在碳排放停止后，系统继续变暖的程度。这些指标的引入使得气候政策制定更加精确，例如，它们可以帮助确定碳排放的“剩余碳预算”（carbon budget），即为了实现特定的温度目标，还可以排放多少碳。

然而，TCRE和ZEC的计算仍面临挑战。例如，TCRE的值在不同模型中存在差异，这可能是因为模型对碳循环和气候反馈的模拟存在差异。此外，ZEC的计算需要考虑碳排放停止后的系统响应，这在实际中可能受到多种因素的影响，如海洋热吸收、碳循环反馈等。因此，研究者们正在探索更精确的计算方法，以减少这些指标的不确定性。

### 未来研究方向

尽管我们对气候敏感度的理解已经取得了显著进展，但仍有许多问题需要进一步研究。例如，海洋热吸收的模式在不同模型中存在差异，这可能影响TCR和TCRE的准确性。此外，碳循环反馈（如永久冻土碳释放）对TCRE和ZEC的影响尚未完全明确，需要更多的研究来揭示其机制。

未来的研究方向可能包括：1）进一步探索海洋热吸收的模式及其对气候响应的影响；2）改进碳循环模型，以更准确地模拟碳排放对气候系统的影响；3）研究气候系统在不同强迫条件下的线性响应，以确定TCRE和ZEC是否在所有情况下都成立；4）探讨非线性因素对气候敏感度的影响，如温室气体浓度对辐射强迫的对数关系等。

总之，气候敏感度的研究不仅涉及气候模型的复杂性，还关系到我们对地球系统反馈机制的理解。随着研究的深入，我们有望更准确地预测未来的气候变化，并为气候政策制定提供更可靠的依据。