主要

的气候意义ocean-land-atmosphere气体交换主要集中在分区的温室气体(例如二氧化碳(有限公司2),甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)和生物生产二甲基硫(DMS)的释放,形成气溶胶通过二次氧化反应9。则较少受到关注自然反应气体的来源,通过改变大气氧化能力,有可能间接影响地球辐射平衡和气候。一个这样的群是所谓的短暂的卤素气体反应种类(SLH;氯、溴、碘化合物与一生的大气中不到六个月)。在过去的二十年里,观测证据收集来自世界各地展示了SLH影响力无处不在在全球大气10,11,12,13,14,15,16,17,18,19。这些物种自然发出的海洋、极地冰和生物圈1,2呈现一个变量时空源强度,由于气候变化预计将增加20.。此外,最近在人为的排放迅速增加氯化SLH大气中已被确认7,8,21。

分解大气中的SLH收益率高活性卤素自由基,在几个大气过程扮演着重要角色,包括臭氧的损耗(O3通过催化循环),直接CH4化学损失,羟基(OH)激进的改变,和氢(HO)2/哦)和氮(NO2/不)氧化物的平衡2(见反应R1-R17补充表1)。卤素氧化海洋DMS,影响云凝结核的形成22在碘的情况下,高碘氧化物和oxoacids已被证明自发凝结形成超细气溶胶23,24,25。结合,这大,越来越多的研究表明,天然+人为SLH对化学和组合可以发挥深远的影响在全球范围内的气氛。然而,它们对地球辐射平衡的影响仍然几乎是未知的。

因为他们在全球首次实现化学气候模型26,27的排放和化学SLH透露,他们有潜力大幅改变大气的氧化能力28,29日,30.,31日在原始和污染环境。大气氧化反过来决定了大量的短期气候冲头(SLCF)如CH4对流层O3和气溶胶对气候变暖的主要贡献者32,33,34,35,36。特别是,SLH构成自然缓冲人为O3污染由于碘的负面反馈机制,调节自然排放37,38,以及调制CH4通过直接和间接化学损失过程生命周期39。此外,SLH影响O的进化3在climate-relevant低平流层21,40。到目前为止,气候模型用于国际气候评估,如耦合模型相互比较项目6级(CMIP6)41和不同评估报告的政府间气候变化专门委员会(IPCC)32,35没有包括SLH的来源和化学。在这里,我们使用先进的地球系统模型来量化SLH全球能量平衡的贡献在工业化前,当今和未来的气候。我们的研究结果表明,天然SLH施加间接冷却对气候系统的影响,这前工业化时期以来的自然冷却效应被放大由于人为活动。

净辐射效应

我们使用社区地球系统模型(CESM;看到“CESM (CAM-Chem)模型配置和实验设计的方法)来量化SLH对全球的影响辐射平衡(见扩展数据表1模拟情况下)。卤素自由基造成的辐射效应(重新)主要SLCF,即O3,CH4平流层气溶胶和水蒸汽计算对过去,现在和未来气候情景(“CESM RRTMG辐射模块”方法)。SLH来源分为三类:自然(NAT)、anthropogenically放大自然排放(AANE)和人为(蚂蚁)。工业化前的模拟(1750年),我们只考虑自然资源,主要从海洋排放(例如,hypoiodous酸(海)和三溴甲烷(CHBr3))和极地地区(例如,一氯化溴(BrCl)和分子氯(Cl2)通过生物和光化学过程(NAT)。今天的(2020)和未来(2100)模拟,人为的污染对全球SLH排放有着重要的影响,包括(扩展数据表2):(1)无机的直接排放(例如,氢氯(HCl))和有机(例如,二氯甲烷(CH2Cl2)从人为活动(SLH蚂蚁;例如,工业、煤炭燃烧、垃圾焚烧等);和(2)人为排放的主要污染物(例如,氮氧化物和挥发性有机化合物从交通、运输、工业、发电厂等),随后形成二次空气污染物(例如,O3和硝酸)驱动自然SLH排放的人为放大(AANE;方法)。

图1显示今天的自然和人为SLH发挥净(气体+气溶胶)间接冷却效果−0.13±0.03 W m−2次全天条件(见扩展数据图。1结果区分晴空,云和气溶胶云的贡献)。这个值是不同的结果halogen-mediated辐射影响O3(−0.24±0.02 W m−2),CH4(+ 0.09±0.01 W m−2)、气溶胶(+ 0.03±0.01 W m−2)和平流层水汽(+ 0.011±0.001 W m−2)。模型不确定性和结果的综合分析提供了SLH负担的依赖补充信息和扩展数据表中总结3。我们现在详细的影响SLH SLCF在每个主要的化学活跃。

图1:气体和气溶胶SLCF SLH的辐射效应。
图1

再保险为全天条件模型的顶部由于自然卤素工业化前(左)一起人为加上anthropogenically放大自然排放(AANE + ANT)今天(中心)。再保险由于AANE + ANT卤素在2100年RCP6.0(浅灰色阴影)和RCP8.5(深灰色阴影)气候场景也显示在右边。个人的贡献不同SLCF分为短暂的气体(O3,CH4和平流层水汽(H2Ostratocaster电吉他))和气溶胶(主要是硫酸、SOA和北半球4没有3)。halogen-mediated辐射的贡献从所有气体(导致净冷却)和气溶胶(生产净变暖),以及净(气体+气溶胶)显示为每个时期。每个物种的不确定性范围计算一半的最大和最小之间的差异重新获得完整的模型敏感性为每个单独的时间(平均±范围/ 2)中描述补充信息和扩展数据表5。比较只有AANE和AANE + ANT例全天和晴空条件在不同时期扩展数据图所示。1。

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臭氧

卤素自由基有效破坏大气O3通过催化循环1。目前全球模型估计,卤素减少对流层O3负担约10−20%(参考文献。29日,30.,38),导致净冷却效果大约−0.1 W m−2(参考文献。27,28,42)。包含卤素的地球系统模型,为工业化前的状况,导致全球平均降低对流层和平流层O3−3.3多布森单位(DU)和−3.9 DU,分别(扩展数据表4),导致总减少O3−0.16±0.01 W m−2(扩展数据表5)。相应的改变现在的对流层和平流层O3杜−4.9−5.2 DU,分别诱导净减少再保险−0.24±0.02 W m−2。到本世纪末,预计O3再保险是−0.19±0.01 W m−2(总啊3损失6.0−8.5 DU)代表浓度通路(RCP6.0)场景和−0.24±0.02 W m−2RCP8.5 (−10.7 DU)。

甲烷

对流层O3哦,的主要来源是主要的大气氧化剂和CH的主要化学沉4之后,这是第二大温室气体有限公司2(ref。33)。我们的结果表明,SLH增加全球CH4负担+ 14%和+ 9%工业化以前的和现在的条件,分别导致的再保险增强+ 0.09±0.01 W m−2在这两个时间段。更大的负担和CH的再保险4与SLH相关联的结果间接降低halogen-driven CH4氧化哦超过直接增加CH4损失由氯原子39。到2100年,halogen-induced CH4再保险是+ 0.10±0.01 W m−2RCP6.0和+ 0.11±0.01 W m−2RCP8.5,造成负担增加464 Tg(11%)和936年的Tg(7%),分别与相应的未来场景省略SLH(扩展数据表4)。

平流层水汽

在对流层中,水蒸气是受当地环境(例如,温度、露点等)。然而,在主要脱水同温层,CH的化学氧化4影响平流层水汽丰富。CH的化学4低平流层对流层相似,与羟基氧化CH4以同样的方式(反应R16补充表1)。如上所述,SLH增加CH4负担,因此平流层水汽,导致变暖再保险在同温层+ 0.011±0.001 W m−2(扩展数据表5)。halogen-driven水蒸气再保险的相对贡献在未来平流层类似于目前(图。1)。

气溶胶

上述卤素影响大气氧化剂(OH自由基,O3、氯等)也导致次生气溶胶的形成发生变化(氧化后形成的气溶胶直接排放的气态前体),包括硫酸\ ({{\ rm{所以}}}_ {4}^ {2,}\)二次有机气溶胶(SOA)和硝酸铵(NH4没有3;看到反应R18-R21补充表1)43。指出,所有这些的对流层气溶胶物种目前占主导地位的冷却效果由于太阳的短波辐射的反射,并包含SLH结果在降低冷却效果减少气溶胶在全球范围内形成。估计卤素对气溶胶的影响达到+ 0.03±0.01 W m−2(见工业化以前的和现在的条件方法对于单个气溶胶的贡献物种)。尽管最近的研究的焦点43,44,45,指出了卤素的贡献仍然存在巨大的不确定性全球二次气溶胶加载。

总之,自然大气成分的变化由SLH前工业化时期导致显著减少O3再保险(−0.16±0.01 W m−2平流层中水蒸汽),一个相对较小的增加(+ 0.011±0.001 W m−2CH),明显增强4(+ 0.09±0.01 W m−2RE)和一个轻微的增加从气溶胶(+ 0.03±0.01 W m−2;主要是由于硫酸还原;无花果。1和扩展数据表5)。净工业化前重新估计−0.08±0.02 W m−2,占主导地位的贡献从气态物种(−0.11±0.02 W m−2)。相比之下,目前SLH-driven减少净再保险更强(−0.13 W m−2与−0.08 W m−2),因为:(1)无机卤素对流层负担比工业化前(Cl 147 - 187%y,对Br 8 - 9%y因为我和24 - 29%y;扩展的数据表3);和(2)都CH4(大约150%)和对流层O3(大约40%)前工业化时期以来的负担也增加了由于人为活动(扩展数据表4)。当今更丰富的对流层中主要活性卤素反应自然排放的人为放大(AANE)海洋,占据卤素源和负担的变化的直接排放大陆人为卤素(蚂蚁;扩展的数据表2)。

辐射效应的空间分布

SLH发出各种资源在全球范围内拥有大量的空间异质性。占主导地位的天然来源来自海洋而人为的主要来源是位于大陆地区(补充信息)。图2表明SLH-mediated再保险在工业化前和现在是最明显的开放海洋和极地地区海水,发出的自然卤素盐气溶胶,第一年海冰和飞雪(见扩展数据图。2未来的场景)。大型SLH-driven再保险在高纬度地区主要是由于对流层和平流层O3变化,CH的一个小得多的贡献4;在低纬度地区,而相反的贡献3和CH4几乎抵消了(图。3)。的确,SLH已被证明增加的深度和大小南国之春期间南极上空臭氧层空洞平流层40,46冷却效果,进一步提高了卤素的低平流层在南半球在今天比工业化前的场景(见“SLCF SLH其他方面的影响”方法)。因此,冷却效果SLH山峰高纬度地区的气候情况,也就是说,地球内部的区域预测最受到全球变暖的影响47,48。

图2:空间SLH-driven再保险的主要SLCF解决。
图2

一个- - - - - -f因CH,个人的贡献4(一个,b),阿3(c,d)和气溶胶(e,f)顶部的模型显示自然发射模拟在前工业化时期(NAT;左)和人为加上anthropogenically放大自然排放在今天(AANE +蚂蚁;右)。它指出,CH4在低纬度地区导致重新达到一个最大净加热,而O3辐射冷却是在高纬度地区更加突出。南大洋的气溶胶重新达到最大减少由于哦SLH造成的,提出空间热点在欧洲等发达地区,北美和东亚在今天。的空间解决再保险RCP6.0和RCP8.5场景扩展数据图所示。2和个人气溶胶的辐射贡献物种扩展数据图所示。4。地图和元素都是由我们的研究小组使用Matplotlib Python的基础图。

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图3:纬度变化在当今条件下SLCF SLH-induced再保险。
图3

尽管有相反的再保险诱导了SLH CH的迹象4(积极的橙色酒吧,变暖)和O3(负绿条,冷却),CH的变化4再保险在低纬度和低峰值接近赤道,而O3重新达到一个最大的在高纬度和极地地区。SLH-mediated再保险的贡献从气溶胶的峰值在高纬度地区南部和显示了中纬度地区北部最大的不确定性。因此,净(气体+气溶胶,青色酒吧)扰动的SLH辐射平衡显示明显的纬度变化,其中净高纬度再保险可大于三次在低纬度地区。每个物种的不确定性范围计算一半的最大和最小之间的差异重新获得完整的现代模型敏感性(平均±范围/ 2)中描述补充信息(参见扩展数据表5)。

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SLH还会导致减少气溶胶在全球范围内形成和随后的变暖,减少主要由对流层哦丰富造成的卤素(扩展数据图。3)。地区今天的气溶胶的变化重新被发现在工业化和城市地区,如欧洲,北美和东亚的东海岸,那里SLH与高水平的空气污染物共存(扩展数据图。4)。这包括高度本地化的冷却效果对中国(扩展数据图。4 b),这是符合SLH-driven增强气溶胶霾污染43(见“SLCF SLH其他方面的影响”方法)。

相对于前工业化时代变化

我们现在量化的现在和未来的变化重新活跃SLCF相对于工业化前气候(ΔRE;看到“CESM RRTMG辐射模块”方法),评估AANE的贡献和时间演化与ANT。图4表明,结合ΔRE由于SLH−0.05±0.03 W m−2目前,其中约30%是由于蚂蚁和将AANE约70%。ΔRE更不确定的变化对未来:在SLH-mediatedΔRE 2100−0.01±0.03 W−2RCP6.0(大约51%为AANE ANT,约49%)和−0.02±0.03 W m−2RCP8.5(大约17%为AANE ANT,约83%)。指出,SLH-mediated辐射变化从工业化前的现在和未来大多由AANE驱动,即自然卤素排放由人为扰动放大(扩展数据图。1)。因此,增加SLH前工业化时期以来的间接冷却效果并不是一个直接的人为排放的结果,而是间接地来自自然卤素由于人类活动排放的放大,以及随后各种SLCF这些排放的影响。AANE的主要原因是人为增加O3污染和随后沉积到海面上38,49放大,两到三倍,碘的海洋排放自20世纪中叶以来,就是明证测量在北极和高山冰芯和树的年轮4,5,6。人为空气污染物的存在(例如,强酸)也会影响活性卤素的分区物种及其异构回收盐气溶胶和飞雪,这扰乱气态溴和氯的释放到大气中2。

图4:改变在SLH-driven再保险SLCF前工业化时代。
图4

辐射效应的变化(ΔRE)不同时间的区分纯人为卤素排放的贡献(ANT,黑条纹彩色酒吧)对自然SLH排放的人为放大(AANE,空的酒吧)。ANT是最大的贡献在当前时期,无论场景考虑,AANE的贡献在未来增加。与现在相比,SLH-drivenΔRE CH4预计将增加(气候变暖)本世纪末不管排放场景考虑;然而,对于阿3,冷却效果的强度(负ΔRE)取决于未来RCP场景。未来的RCP结果是基于分配模拟2100年的代表。

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ΔRE分解表明,个体的相对贡献SLCF彼此相反的迹象和补偿导致净冷却效果(图。4和扩展数据图。5)。例如,AANE主导ΔRE CH4在本世纪末,无论场景考虑,对人为放大的碘和溴排放的全球海洋38显著降低哦自由基的水平和CH4氧化39。相比之下,在今天,CH AANE和蚂蚁的相对贡献4ΔRE具有可比性(无花果。4)。它指出,大多数ΔREdriven CH4发生在对流层较低,而对于O3,显著ΔRE贡献也发生在低平流层,除了自然SLH变化,人为排放的短暂的氯碳化合物的快速增长也有利于O3损耗21,28(扩展数据表4)。因此,ΔRE O3从工业化前到现在有一个纯粹的人为来源的重大贡献(大约26% AANE蚂蚁相比之下,约74%),而它预计将减少约17%蚁RCP6.0 AANE(约83%),约6%为RCP8.5 ANT(大约94% AANE)本世纪末。同样,当今ΔRE CH4相对于前工业化时期AANE ANT归因于约42%,约58%,而到本世纪末AANE主导信号(大约87% AANE RCP6.0和RCP8.5 AANE约96%)。在工业化前SLH辐射效应的改变,现在的和未来的气候突出了复杂非线性化学相互作用SLCF SLH和丰富的关键化学活跃。

辐射SLH对气候的影响

SLH自然发出的海洋,冰和气溶胶表面,以及生物圈和人为活动。自然排放与气候密切相关(例如,海洋表面温度、初级生产力、提升盐气溶胶的风和海冰范围)和人为污染(O3沉积在海洋和大气酸化)37,39。此外,人为SLH不是由《蒙特利尔议定书》显示迅速增加在东亚和其他发展中地区在过去的十年里7,8,21。这种角色变化的对流层SLH控制的氧化能力,因此,在调节的丰富radiative-active SLCF,加上人为放大的自然SLH排放(AANE),影响大气的辐射预算基线以不同的方式(图5)。因此,过去和未来的变化卤素排放,和他们的间接影响地球辐射平衡,通过改变氧化能力,是由自然和人为排放,气候变化和大气化学。

图5:SLH的概念表示对大气成分的影响和辐射气候系统内部的反馈。
图5

卤素通过直接影响气候系统的变化3噢,激进的化学循环,进而调节辐射的丰富活跃SLCF如CH4平流层气溶胶和水蒸汽(H2O)。扩大(变薄)的化学过程层内的半圆形的箭头代表的效率的提高(降低)直接SLH-driven(浅蓝色)和间接OH-driven(深蓝色)CH的化学回收4H2O, O3。绿色、灰色和黑色的向上箭头在前体的层自然SLH直接排放,分别人为SLH和人为空气污染。卤代的u形箭头显示自然大气循环过程(绿色的尾巴)和人为(灰色尾)化学水库,分别,这两个一直anthropogenically放大(橙色)和改变了气候系统的基线状态。卷曲的黄色和粉色箭头的长度变化的最SLCF层代表了SLH引起影响地球辐射平衡。每个SLCF的个别气候变暖和变冷效应,以及净SLH-driven冷却再保险,合成彩色温度计。图5是由NorArte视觉科学(https://www.norarte.es/en/)要求。

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之上的现代人为卤素排放AANE诱发全球净细微的变化(−0.11±0.03 W m−2因为只有AANE和−0.13±0.03 W m−2AANE + ANT)。的确,AANE卤素总效应的相对贡献进一步增加在未来,无论考虑中期或高排量场景(图。4和扩展数据表5)。这凸显出放大自然卤素源(AANE),不能直接控制的环境协议,但其排放取决于人为污染物的排放,可以调节,主导全球SLH对气候系统的影响。分析表明,SLH-driven再保险是一个持久的和重要的信号在所有时间里,水平变量不确定性由预测的对流层卤素在每个场景。

卤素对再保险的影响有显著的地理分布。明显,考虑到更大的影响SLH高纬度地区(无花果。3),包含SLH有望改变大气的热量再分配从赤道地区到高纬度地区,也就是说,最大化卤素在极地区域的冷却效果,预计遭受的最大温度增强由于全球变暖47,48。

最后,我们强调SLH造成的净间接冷却效应是空间之间的权衡的结果变量的影响主要以O卤素3(对流层和平流层)和CH4,一个小的贡献从平流层气溶胶和水蒸汽。这到目前为止未被自然SLH和地球辐射平衡之间的相互作用在工业化以前的非线性,当今和未来的气候。模型不包括这种间接再保险可能高估前工业化时期以来的SLCF引起的全球变暖。此外,我们的研究结果表明,净前工业化时期以来的卤素的冷却效果放大由于卤素排放和大气污染物之间的联系,这复杂的相互作用将进一步的变化取决于未来气候预测。造成的强迫在工业时代(SLH−0.05 W m−2)是类似的增加产生的粉尘排放(−0.07 W m−2)50和大小相等,但方向相反的轨迹和contrail-induced卷迫使(0.06 W m−2)32。我们得出这样的结论:SLH自然气候系统的重要组成部分,因为他们发挥间接冷却效果目前在气候模型评估和不占,因此,我们建议的需要包括一个完整的表示自然和人为SLH在气候模型来减少不确定性的贡献SLCF从工业化前的地球辐射平衡的发展未来的气候。

方法

CESM (CAM-Chem)模型配置和实验设计

1.1.1社区地球系统模型(CESM)版本(ref。51),包括社区大气模型和交互式化学(CAM-Chem)版本4.0 (ref。52),被用来量化的总体影响SLH在地球能量平衡前工业化时代的二十一世纪。模型配置水平分辨率为1.9°×2.5°经度纬度(分别为96×144网格点)和26日从表面垂直的水平扩展到约40公里(3.5 hPa在平流层),混合后σ坐标的压力53。

CAM-Chem实现的标准化学计划包括169种气相和异构反应耦合辐射模块54。更新SLH的化学处理包括卤素的最先进的化学机制在对流层和平流层,先前的研究详细描述。简单地说,裁判。26提出的实现活性卤素CAM-Chem物种来源和化学,包括一个全面的验证的卤化碳源气体使用可用的观测。引用30.,38,55,56然后进一步更新了卤素CAM-Chem设置包括更详细的表征氯,溴和碘气体和多相化学,使量化SLH对平流层O3(ref。40)。极地模块,包括无机卤素从北极和南极海冰的排放57的影响,以及卤素CH4一生和负担39也被实现成当前的CAM-Chem SLH版本。此外,这里我们有实现和改进一些额外的模式发展:哦/ O (1)3/不3启动SOA生产产量更新58;(2)氯和bromine-induced SOA的形成被认为是43;我们添加了(3)HOBr + S反应形成硫酸气溶胶参后。59,60以及(4)人为气溶胶的异构回收溴的物种43,61年;我们还包括(5)的一致表示iodine-containing从高碘氧化物粒子的形成25,62年(6)注入气相以及颗粒碘平流层13,46。这项工作的主要反应相关的补充表中进行了总结1;全套的卤素反应中实现CAM-Chem,看到裁判的补充材料。63年。

自然SLH来源CESM (CAM-Chem)包括生物和非生物通路(图5)。组成九卤烃(CHBr生物来源3,CH2Br2,CH2BrCl, CHBr2Cl, CHBrCl2,CH3我,CH2我2,CH2IBr和CH有关2ICl),这是微观的结果,以及大型浮游植物代谢耦合在海洋表面的光化学26。这些SLH的进化生物排放处理在一个一致的框架中耦合的物理和生物地球化学的变化(例如,海洋表面温度、海洋初级生产等等)相关的气候和大气成分37。非生物资源具有不同的路线相比,氯和溴碘。氯和溴盐气溶胶酸释放位移(例如,HNO引起的3nitrogenated)以及异构反应(例如,N2O5)、卤代(例如,HOBr HOCl和海下)和halo-nitrogenated(例如,BrONO2,ClONO2和IONO2)水库,构成的主要来源活性低对流层中溴和氯55,64年,65年,66年。无机碘(海和我2),然而,直接发出后的海洋表面O3沉积在海水中碘化及其与水的反应38,49,67年。双分子的排放inter-halogen物种(Cl2、溴2和我2以及BrCl, IBr和ICl)有关海冰表面在北极和南极也在线计算57(无花果。5)。

人为SLH来源包括以下两个主要的排放清单有机氯物种(CH2Cl2和C2Cl4)(ref。68年),辅以低边界条件的其他人为氯化物质(CHCl3C2H4Cl2和C2盐酸3)(参考文献。39,64年,69年)。在这项研究中,我们进一步实现了一个人为全球排放清单的活性无机卤素物种2014年(应用于当今的条件),包括无机氯(盐酸和细粒氯)从煤燃烧,燃烧生物质燃烧和浪费,以及无机溴(哈佛商业评论和Br2)和碘(你好和我2)从燃煤(看到进一步的细节在“全球人为无机卤素的排放清单”)。扩展的数据表2和补充无花果。1- - - - - -3显示的贡献自然和人为排放到大气卤素预算,和扩展数据表3总结了表面混合比率和总无机氯(Cl对流层负担y),溴(Bry)和碘(Iy自然(AANE)和全(AANE + ANT)模拟在工业化前,当今,本世纪末。补充无花果。5- - - - - -7显示的地理和垂直分布Cly、溴y和我y。

标准CESM (CAM-Chem)人为污染物排放的化学气候相互比对项目(CCMI)70年在这里使用ref。51。这些包括人为和生物质燃烧排放监测大气成分和气候/ CityZen库存(MAC市)年直到2010年(ref的决议。71年),与联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告合并后排放72年。CAM-Chem配置了大部分气溶胶模型模拟外部的分布混合硫酸盐、黑碳,主要有机碳,海盐和尘埃,如裁判所述。52。飞机排放的黑碳和二氧化氮,以及火山排放的硫和硫酸,垂直分布。设置还包括一个emissions-driven CH方法4而不是应用的标准降低界面混合比率长寿物种。主要的CH4来源包括农业、垃圾填埋场、化石燃料行业,生物量和生物燃料的燃烧、排放和自然湿地(见参考。39为进一步的细节)。生物碳排放计算土地模块使用模型内的在线气体和气溶胶的排放来自大自然(梅根)版本2.1 (ref。73年)。

模型的建立是基于指定的动态分配模拟考虑三个不同的时期:前工业化时期,1750年的代表;现在的条件,2020年;和未来的条件在本世纪末(2100年)为两个不同的投影场景(见下文)。分配模拟每一段包含15年每3 h不同集成由推动气象学(温度、风和表面压力)从先前的模拟,省略了SLH的贡献30.,55,56。指出,尽管气象是获得考虑意味着气候边界条件的代表2000 - 2020年工业化以前的、现在的和未来的敏感性被认为是海洋表面温度和海冰条件每个时间段的代表37。所有从先前的模拟实验初始化后允许40年的曲折,确保所有化学物种,特别是CH4是稳定的。除了历史时期,未来的预测是基于中期和高端RCP(分别RCP6.0和RCP8.5)排放场景74年,75年长寿物种和短暂的前体排放。长寿halogen-containing物种(CH3Cl, CH3创新领导力3CCl,4,CFC-12 CFC-11 cfc - 113, hcfc - 22, cfc - 114, cfc - 115年结束- 141 b,结束- 142 b, CH3Br, h - 1301 h - 1211 h - 1202和h - 2402)降低边界条件遵循A1卤素场景从科学评估臭氧损耗(saod - 2010)报告76年。

基准模型模拟的所有时期都分成三类独特的治疗SLH(扩展数据表1):(1)NoSLH:标准化学计划没有SLH来源和化学;(2)NAT / AANE:只有自然SLH排放场景(NAT工业化前;AANE为今天和未来场景的在线计算自然SLH排放anthropogenically放大);和(3)AANE + ANT: anthropogenically放大自然排放+人为SLH来源的今天和未来。指出人为和生物排放其他比SLH NoSLH是相同的,AANE和AANE + ANT场景。既然没有人为SLH排放被认为是前工业化运行时,NAT代表原始背景卤素条件,而AANE代表摄动卤素条件由于人为空气污染影响了SLH自然力量来源,特别是通过O的非生物的路线3沉积在海洋表面的酸增强盐回收和SLH排放的生物途径由于气候变化(图。5和扩展数据表2)38,39,77年。辐射预算之间的差异AANE和NoSLH代表了由自然放大的卤素负担由于背景水平的污染物在一段固定的时间;而AANE +蚂蚁的区别和NoSLH代表所有活性卤素的再保险的物种。

在CESM RRTMG辐射模块

在这项工作中,我们区分(重新)辐射效应和辐射效应的变化(ΔRE):再保险(无花果。1)是模拟辐射平衡的变化考虑省略SLH SLH对基线模拟,在同一时期;而ΔRE(无花果。4)是再保险不同时间段的变化(例如,今天和前工业化时代之间)。再保险和ΔRE计算使用全球环流模型的快速辐射传输模型(RRTMG)包78年,目前默认的辐射传输方案包括在CESM v2 (ref。79年)。RRTMG辐射模块提供一个在线诊断工具量化和区分向下和向上以及短波和长波辐射在不同层,包括模型的表面和顶部80年,81年。特别是RRTMG允许分裂独立的个人辐射贡献的辐射活性成分,可以添加或减去一个接一个或完整的辐射组件列表(例如,考虑到单独的相加和single-subtraction贡献每一物种的总辐射预算;看到裁判。80年)。辐射大小显示在这项工作得到考虑到15年全球平均为每个单独的基准配置和5年的意思是完整的描述的敏感性补充信息。再保险的不确定性与每个独立的模拟代表年际变异性计算标准差的两倍(2σ多年的全球平均水平。

这里我们使用RRTMG诊断变量FSNT(净太阳能通量模型)的顶部和FLNT(净长波通量模型的顶部)全天条件,以及它们的等效流晴空条件(分别FSNTC和FLNTC)。个人价值的大小得到下面的列表的辐射活跃的气候冲头(CESM名册变量包含在括号):(1)气体:水蒸气(H2O)、二氧化碳(有限公司2)、一氧化二氮(N2O)、臭氧(O3),甲烷(CH4)和氯氟化碳(CFC12 CFC11STAR,其中包括CFC11加上其他一些小的氟氯化碳和氢氯氟碳化合物的贡献);和(2)气溶胶:硫酸(4),尘埃(DST01-04),黑碳(CB1和CB2),有机碳(OC1和OC2),二次有机气溶胶(,探照灯使这种感觉,SOAI SOAM强烈SOAB和SOAX),硝酸铵(NH)4没有3海盐(SSLT01-04)和碘粒子(IOP)。个人气的再保险aerosol-phase物种,以及产生的气体的总和,气溶胶和净(气体+气溶胶)每个辐射效应(由活跃的物种年代为每个发射灵敏度情况()C;NAT, AANE AANE + ANT)和时间(T;工业化前,今天和未来RCP6.0 RCP8.5),计算如下:

$ $ {\ rm{再保险}}{(S)} _ {T} ^ {C} = {[{\ rm {FSNT}} (S) - {\ rm {FLNT}} (S)]} _ {T} ^ {C} - {[{\ rm {FSNT}} (S) - {\ rm {FLNT}} (S)]} _ {T} ^ {{\ rm {NoSLH}}} $ $
(1)

再保险的变化对于一个给定的时间段对前工业化时期计算如下(见方程(2)和(3)下面)。首先,再保险AANE和AANE + ANT场景每一段时间(例如,分别定义为rm \({\{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD}}} ^ {{\ rm {AANE}}} \)和rm \({\{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD}}} ^ {{\ rm {AANE + ANT}}} \)今天的(PD)条件)计算相对于NoSLH场景。工业化前的情况下(π),只有自然的再保险\ (({\ rm{再保险}}{(S)} _ {{\ rm{π}}}^ {{\ rm {NAT}}}) \)被认为是。第二,我们计算的变化在今天rmδ{\((\ \{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD}} - {\ rm{π}}}^ {C}) \),总是关于工业化前的重新获得,并把自然(AANE)对人为(ANT)贡献如下:

rmδ{$ $ \ \{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD-PI}}} ^ {{\ rm {AANE}}} = {\ rm{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD}}} ^ {{\ rm {AANE}}} - {\ rm{再保险}}{(S)} _ {{\ rm{π}}}^ {{\ rm {NAT}}} $ $
(2)
rmδ{$ $ \ \{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD-PI}}} ^ {{\ rm {ANT}}} = {\ rm{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD}}} ^ {{\ rm {AANE + ANT}}} - \三角洲{\ rm{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {PD-PI}}} ^ {{\ rm {AANE}}} $ $
(3)

一个等价的程序被应用于计算的变化重新RCP6.0本世纪末rmδ{\((\ \{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {RCP6.0-PI}}} ^ {C}) \)和RCP8.5rmδ{\((\ \{再保险}}{(S)} _ {{\ rm {RCP8.5-PI}}} ^ {C}) \)相对于前工业化时代的场景。

指出,由于叠加不同的辐射吸收带的活跃的物种,每个物种的个体重新贡献的总和略不同于所有物种的净再保险的总和82年。事实上,这种差异取决于考虑单独的相加或single-subtraction分析辐射计算,和可能导致一个非零的贡献等无电抗气体有限公司2。这些重叠的差异降到最低,我们计算所有物种的规范化重新考虑0.428(单之外)和0.572(单减法)加权因素提供参考。80年,而对于气溶胶,single-subtraction大小被认为是。小非线性辐射分配的净再保险个人SLCF(即−0.03 W m−2)是由于忽视了快速调整的贡献(也就是说,radiation-driven地面和对流层温度)的变化以及不同的长波吸收重叠乐队当个别物种的增加或减少辐射名册。平流层水汽的特殊情况下,我们计算它的12.5%的CH4再保险(即中间的各种估计,政府间气候变化专门委员会第六次评估报告编制)32。

全球人为无机卤素的排放清单

在这项研究中,我们进一步发展全球排放清单的活性无机卤素物种2014年(应用于当今的条件),包括无机氯(盐酸和细粒氯)从煤燃烧,燃烧生物质燃烧和浪费,以及无机溴(哈佛商业评论和Br2)和碘(你好和我2从煤炭的燃烧。源强度的估计这些无机卤素源零工业化以前的条件和比例在未来基于RCP6.0或RCP8.5人为二氧化硫和一氧化碳的进化从生物质燃烧39。

在我们的全球无机卤素库存,国家级排放排放因子计算方法,在以往的研究中使用的方法43,83年。短暂,活动数据,国家级煤炭消耗量从电厂、工业和住宅燃烧得到的国际能源署(www.iea.org)数据库。干物质燃烧的森林,草原,泥炭和农业废物来自全球火灾排放数据库(www.globalfiredata.org)。由露天焚烧废物焚烧焚烧植物或从官方统计数据或计算获得基于ref。84年。对中国来说,本地和县级的详细活动数据。排放因子计算燃煤引起的气相卤素物种基于煤炭卤素含量和去除效率的空气污染控制设备。卤素含量煤是来自我们的先前的研究43,83年美国地质调查局数据库和其他测量85年,86年。不同的空气污染控制设备的安装利率从清华排放数据库87年,88年,89年从PKU-FUEL数据库对中国和其他地区(inventory.pku.edu.cn)。其他参数,如释放率,去除效率和其他排放因素,详细描述我们的先前的研究43,83年。释放出无机卤素物种的比例设置作为哈佛商业评论和Br的70%和30%2嗨,我,95%和5%2分别90年,91年。

补充无花果。1- - - - - -3现在人为卤素排放的空间分布与海洋自然SLH相比排放CAM-Chem中实现37。热点氯气排放位于中国大陆、印度、东南亚和非洲,排放强度比峰值1.0×10−13公斤米−2年代−1。中国和印度也人为溴和碘的主要排放国,与排放通量高于1.0×10−13公斤米−2年代−1在受污染的地区。全球自然意味着源强度(NAT),人为(ANT)和AANE扩展数据表中进行比较2。

对SLCF SLH其他方面的影响

鉴于目前的不确定性在SLH-aerosol交互在污染和原生态环境43,净气溶胶引起SLH来源和化学提出了最大相对误差的SLCF认为这项工作(补充信息)。硫酸主导的净再保险气溶胶,+ 0.036±0.005 W m−2前工业和+ 0.030±0.006 W m−2现在的条件。即使SLH-induced NH4没有3再保险是目前小(+ 0.004±0.001 W m−2),这个物种显示工业化以前的现在的负担提高两倍的硫酸盐(扩展数据表4)。这意味着在前工业化时期,大halogen-driven大气变化氧化剂影响主要是硫酸,也有重大的自然的前兆。相比之下,在当今和未来的场景,对NH SLH影响4没有3更大,因为它主要人为的前兆。因此,硫酸和NH的冷却效果4没有3是当自然卤素被认为是较弱的。关于二次有机气溶胶,AANE驱动全球减少他们的形成(由于氧化气氛),而局部蚂蚁无机卤素/工业排放的地区可以提高二次气溶胶的形成在霾污染事件43(扩展数据图。4)。

在世纪末的未来预测,网络引起的再保险SLH比现在弱不管排放场景考虑(RE =−0.09±0.03 W m−2RCP6.0和RE =−0.10±0.03 W m−2RCP8.5;无花果。1和扩展数据表5)。然而,个人的独立贡献气体改变净辐射平衡各不相同:在RCP6.0由于更严格的限制空气污染物的排放,全球对流层O3负担减少了本世纪末37,因此SLH影响O3再保险明显弱(RE =−0.19±0.01 W m−2与现在相比。相比之下,由于未来全球增长CH4负担,其变暖由于SLH略微增加对目前(RE = + 0.10±0.01 W m−2)。RCP8.5下,增强在对流层O3负担导致类似的净再保险在今天(RE =−0.24±0.02 W m−2),这是CH抵消更大的增加4排放预测下RCP8.5,导致halogen-driven重新变暖+ 0.11±0.01 W m−2对CH4。这种二分法在相反的贡献halogen-mediated O3和CH4REs不同气候情景下(无花果。4)强调了非线性化学SLH和SLCF之间的互动33。

关于再保险的空间异质性,指出SLH-mediated大气成分的变化极大地依赖于氯,溴和碘分布在海洋和大陆域(补充无花果。5- - - - - -7),从而把非线性大气化学反应以不同的方式(扩展数据图。3)。例如,SLH排放在清洁的环境中(例如,海洋和极地)倾向于减少对流层O3,从而导致减少大气氧化能力(见反应R3-R7补充表1);而在污染环境中(例如,城市和工业)SLH排放会导致对流层O3形成92年,进而提高了氧化能力(即增加哦)在区域尺度上(见反应R9-R15补充表1)。因此,在当今和未来的模拟,SLH与高水平的空气污染物共存,再保险的变化由于SLH在大陆地区更明显而前工业化时代(扩展数据图。4)。因此,未来的研究集中在SLH-mediated再保险的空间和季节变化是需要改善我们对基线的进化的理解地球辐射的预算。

SLH影响O3是最高最低平流层,呈现明显的纬度的依赖吗93年增加向高纬度地区,改变O3预算准确区域表面温度和气候是最敏感的啊3扰动94年。尽管众所周知SLH对南极臭氧空洞76年,大约一半的额外的平流层O3破坏由短暂的溴在南极洲在当前时间对应于一个基线O3破坏全球平流层40,观察到在我们的模拟在所有的时间。这种背景下额外的啊3破坏由于SLH大高纬度地区较低纬度(无花果。3)和灵敏度也观察到模拟极地卤素海冰排放关闭(补充信息)。此外,效率自然溴和碘背景平流层O3在春末和夏季损耗峰40,46,重要SLH-driven平流层O3冷却也观察到在本世纪末,北极和南极无论持续减少人为长寿啊3消耗物质(无花果。2和扩展数据图。2)。它指出,我们的模型配置不考虑平流层的动态反馈O3已经被证明能够影响表面温度和降水在南美洲的南端95年。化学(生产和大部分损失)和运输(stratosphere-to-troposphere交换)流程改变当SLH包括在内63年,尽管每个独立的贡献的区别是这个工作的范围之外。最后,它指出,辐射变化由平流层水汽从CH只是由于化学的贡献4光化学在平流层,但因为所有模拟被迫用相同的气象,这里给出的结果不占对流层顶温度的变化和/或动力特性影响的气候演化stratosphere-troposphere交换。

评价CESM (CAM-Chem)性能

我们进行了模拟的基础上,以前的研究(参见“CESM (CAM-Chem)模型配置和实验设计”),验证了模拟对流层活性卤素和其他相关物种的丰富(O3哦,CH4)使用一组全面的地面、船、飞机和卫星观测在过去20年。简单地说,裁判。26进行一个评估自然海洋来源的短暂的卤烃的CESM (CAM-Chem)对大数据集的近地表和飞机extra-polar地区的活动,和裁判。27包括额外的无功SLH观测和O3在热带地区。参考55显示模型繁殖能力溴运输从表面到平流层,参和。40和96年报告的改善总啊3列和臭氧空洞面积在南极地区,和代表观察到的垂直分布的O3分别混合比在热带地区。参考77年显示包含自然SLH溴和氯CESM导致更现实的平流层无机卤素的水平,提高协议SBUV-MOD(太阳能后向散射紫外线合并总O3列)数据集97年,98年。的实现中碘化学CESM (CAM-Chem)30.允许复制飞机观测在热带对流层上部56,表明发生iodine-driven平流层O3损耗,后来证实了ref。13。此外,参考文献。19,38证明了需要考虑海洋表面的无机碘源精确再现观察碘氧化混合比率在开放海域。ref的补充信息。37总结了SLH CESM版本的性能在所有之前的造型和观察性研究。后来,裁判。93年评估注入无机和有机溴平流层当化学计划被认为是与不同程度的复杂性,和裁判。46报道的改进模型性能极高的O3通过包含活性碘化学CESM / WACCM4-SD配置。此外,裁判。99年演示了满意的造型3,以及对全球盐相比,海洋边界层气溶胶丰富与全球观测结果;ref。39验证了模拟CH4,哦对先前的报道和活性氯物种。总而言之,CESM (CAM-Chem)一直是能够提供合理估计的关键成分与我们的研究,包括活性卤素物种,盐气溶胶,对流层和平流层O3对流层哦和全球CH4目前的一天。

这里我们提供进一步的CH CESM评估结果4和O3在工业化前和现在的模拟。先前的报道水平的CH4在前工业化时代大约是722 ppbv(十亿分之几卷)35,One hundred.,从697年ppbv南极洲上空759 ppbv基于专门观测北极上空101年。我们的模拟全球平均CH4对于工业化前NAT的情况是类似的水平(722年ppbv全球703 ppbv南极和北极745 ppbv),表明我们的模型设置正确代表着工业化前CH4丰富。工业化前的报告啊3是稀疏的。补充表10总结了可观察的报道O3在前工业时期102年。平均啊3混合比在不同网站大约10 ppbv,从ppbv ppbv 6.2到14.4。我们的模拟结果在同一地点作为工业化前的观测条件平均约为20 ppbv NoSLH情况(ppbv ppbv 16.2和24.1之间)和15 ppbv NAT (ppbv ppbv 11.5和18.9之间)。虽然NAT还高估了不确定的工业化前的数据,一个健壮的特性的模拟模型偏差是与NoSLH相比显著降低(补充表10),它支持并突出考虑SLH气候模型的重要性,提高工业化前的表现3丰富。值得注意的是,目前大多数气候模型倾向于高估低表面O3浓度与这些相比,而不确定的半定量观察在19世纪晚期表现102年。

对于今天的CH4评价,我们使用表面月平均CH4混合比观察2000 - 2019年期间的国家海洋和大气管理局(NOAA)网络103年,全球平均1848 ppbv的混合比。CESM今天的结果NoSLH和AANE +蚂蚁代表全球CH相当不错41683年,全球平均地表混合比率ppbv和1836 ppbv,分别考虑相同的网格点(补充图进行了观察。10)。值得注意的是,SLH增加了模拟CH4表面混合比在153年ppbv(约9%),与NoSLH案例在这些采样站点相比,突出的包容SLH带来模拟CH4水平接近NOAA的观察。我们使用了月平均表面O3数据从2000年到2015年在对流层臭氧评估报告(TOAR)数据集104年(https://toar-data.org/)来评估我们的今天的O3CESM (CAM-Chem)结果为不同的模型配置。补充图。11表明NoSLH和AANE + ANT情况下复制全球平均和范围的观察表面O3浓度,虽然有些高估。全球啊3TOAR数据集的平均达到27.7 ppbv,而对于NoSLH 41.1 ppbv ppbv AANE +蚂蚁是33.8,这表明SLH结果纳入一个更真实的描述全球表面O3。指出,尽管NoSLH配置CESM (CAM-Chem)倾向于高估当今表面O3,我们的模拟对流层O3负担的下缘化学气候模型的组织参与CMIP6活动41,63年。然而,我们的模型配置包括SLH来源和化学模型减少了高CMIP6模型的偏差41与卫星,因此导致进一步协议——和ozonesonde-derived产品相关的全球大气化学模式评估63年,105年。

来确定一个稳健估计的主要不确定性SLH的辐射和气候的影响,我们进行了一个全面的灵敏度分析的排放强度,回收效率和/或氯的化学反应,溴和碘,以及背景丰富的SLCF在每个一段时间,不同的值的范围内基于最新的文献。这个“独立”敏感性分析中描述补充信息参和依赖。107年,108年,109年,110年,111年,112年,113年。分析表明,SLH诱导持续和显著冷却信号在所有时间里,水平变量不确定性由预测的对流层卤素在每个场景。这SLH-driven再保险是一个健壮的信号对所有场景,超过了估计不确定性变量相关程度的对流层卤素和丰富的气候冲头为不同的配置。计算的不确定性范围再保险和ΔRE考虑模型敏感性的全套补充信息和扩展数据表中总结5。进一步的研究需要使用其他模型和预测场景阐明剩余的未知与人为污染物排放之间的耦合和SLH影响地球辐射平衡的发展。