气候系统与能量平衡

入射太阳能、出射热辐射以及大气、海洋、冰、陆地和生物圈之间的流动如何设定地球的温度和环流。

Definition

气候系统是大气圈、水圈、冰冻圈、地表和生物圈等相互耦合的组成部分，它们的相互作用和能量交换决定了气候，其能量平衡是吸收的太阳辐射与发射的热辐射之间的平衡。

Scope

该领域涵盖了作为一个耦合能量机器的气候系统：大气层顶部和地表的全球辐射收支，能量在大气、海洋、冰冻圈、地表和生物圈之间的分配，以及将热量从热带重新分配到两极的输送。它涉及温室效应的物理基础、放大或抑制扰动的反馈，以及将强迫变化与平衡温度变化联系起来的气候敏感性概念。

Sub-topics

• 气候反馈与敏感性
• 全球能量收支与辐射
• 温室效应与大气吸收
• 热量输送与大气环流

Core questions

• 行星能量收支如何在反射、吸收和热发射之间分配？
• 为什么温室效应会使地表温度高于辐射平衡值？
• 哪些反馈会放大或抑制对辐射扰动的响应，以及程度如何？
• 大气和海洋如何输送热量以平衡辐射的纬度不平衡？

Key theories

行星辐射平衡

在平衡状态下，气候系统向太空发射的热辐射量与从太阳吸收的量相等，行星反照率和温室气体吸收共同决定了最终的地表温度。

能量输送和大气环流

由于热带地区接收的太阳能多于其发射的能量，而两极地区发射的能量多于其接收的能量，因此大气和海洋会循环以向极地输送热量，从而塑造了大气环流。

气候敏感性和反馈

二氧化碳倍增的平衡温度响应取决于水蒸气、云、地表反照率和温度递减率等反馈，这些反馈共同放大了直接辐射效应。

Mechanisms

短波太阳辐射部分被云、气溶胶和地表反射，部分被吸收，使系统变暖；变暖的地表和大气发射长波辐射，其中大部分在逸散到太空之前被温室气体吸收并重新发射。吸收的太阳辐射和发射的热辐射之间的纬度不平衡驱动着大气和海洋的热量输送，而反馈则调整了在强迫后恢复平衡所需的变暖量。

Clinical relevance

量化能量收支和气候敏感性是预测在给定温室气体变化下地球将变暖多少的基础，支撑着气候政策目标和影响评估。

Evidence & guidelines

IPCC第六次评估报告综合了观测和模型，以约束全球能量收支，并评估了每二氧化碳倍增的平衡气候敏感性，可能范围约为2.5至4摄氏度。

History

行星能量平衡的定量研究始于19世纪关于温室效应和早期能量收支估算的工作，通过20世纪的辐射-对流模型得到发展，并因对大气层顶部辐射收支的卫星测量而发生转变，这使得全球能量流能够通过观测得到闭合。

Debates

云反馈及其对气候敏感性的影响

云如何响应变暖，以及这种响应是放大还是抑制变暖，仍然是气候敏感性估算中最大的不确定性来源。

Key figures

• Dennis Hartmann
• Kevin Trenberth
• Syukuro Manabe
• Veerabhadran Ramanathan

Seminal works

• hartmann2016
• trenberth2009

Frequently asked questions

是什么使地球比其辐射平衡温度更温暖？

温室气体吸收并重新发射热辐射，因此地表温度比没有透明大气的情况下高出约33摄氏度。

什么是气候敏感性？

它是大气二氧化碳倍增后预期的长期全球变暖，IPCC评估认为一旦反馈起作用，可能约为2.5至4摄氏度。