大气二氧化碳与全球温度的相位关系外文翻译资料

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大气二氧化碳与全球温度的相位关系

Ole Humlum, Kjell Stordahl, Jan-Erik Solheim

摘要：利用大气二氧化碳和全球温度的数据系列，我们研究了1980年1月至2011年12月之间的相位关系(超前/滞后)。冰核显示大气中的二氧化碳变化滞后于大气温度的变化在一个世纪的时间尺度上，但现代温度预计滞后于大气中的二氧化碳的变化，因为自1975年以来的大气温度上升通常被认为是由现代二氧化碳的增加引起的。在我们的分析,我们使用了八个著名的数据集：

1）全球海洋边界层平均混合二氧化碳数据

2）HadCRUT3表面空气温度数据

3）GISS表面空气温度数据

4）NCDC表面空气温度数据

5）HadSST2海平面数据

6）UAH低对流层温度数据系列

7）人均排放二氧化碳释放人类纪的数据

8）采用数据火山喷发

除了7）和8），所有数据集都有年周期，为了消除这些周期的影响，我们分析了12个月的平均数据。除了7）和8），我们发现所有数据序列之间存在高度的协变，但随着二氧化碳的变化，温度的变化总是滞后的。二氧化碳滞后11~12个月与全球海面温度、9.5 ~10个月与全球地面空气温度、9个月与全球对流层较低温度之间存在显著正相关关系。海洋温度的变化与大气中二氧化碳的相关性很高，但并不能解释所有观察到的变化。

1. 引言

冰核记录表明，温室气体CO2在几个间冰期循环中与全球温度共同变化，表明了自然大气温室气体变化与长期温度之间的联系(IPCC AR4,2007;Luthi等人，2008)。

在过去的420 kyr中，大气中二氧化碳的变化基本上是根据冰核的温度而变化的，典型的延迟是几个世纪到一个多世纪(Lorius et al.， 1990;Mudelsee,2001;Caillon等人，2003)。因此，大气中的二氧化碳并没有引发巨大的间冰期气候变化，这些变化可能是由轨道米兰科维奇循环控制的。然而，有人提出，随后的co2上升可能会在Milankovitch周期所引发的全球气温上升之前的某个时期扩大甚至扩大，但对代用气象资料的解释对此并不明确(Alley和Clarck, 1999;Shackleton, 2000; Toggweiler and Lea, 2010;;Shakun et al., 2012)。

大气温度和冰核中CO2之间的观测时间滞后被认为是缓慢发生在海洋的垂直混合造成的，与二氧化碳在海水中的溶解度的减少有关，随着其温度在冰川时期后期缓慢增加 (马丁et al .,2005)，引发了后续的，从海洋中净排放的二氧化碳 (Toggweiler,1999)。

直接测量温度和具有良好时间分辨率的大气二氧化碳对于从经验上理解二氧化碳对现代全球气温变化的影响是至关重要的。由斯克里普斯海洋研究所(SIO)的C.D. Keeling实现了由高精度非色散红外气体分析仪进行的首次大气二氧化碳现场连续测量。这些测量是在1958年开始的，夏威夷的atMauna Loa，位于太平洋北纬19度(Keeling等人，1995年)。这些数据表明，自1958年以来，大气中二氧化碳的数量不仅在增加，而且海洋表面温度的季节性变化和陆地生物圈内光合作用的年轮也在调节二氧化碳的上升。

在对莫纳罗亚进行测量之后，在两个半球的有限数量的其他观测点，进行了其他连续的原位测量(Conway et al.1994;Nakazawa et al., 1997; Langenfelds et al., 2002)。然而，在1990s和1980s，在大陆地区的更大范围的二氧化碳测量被要求提供估算大气中的二氧化碳在陆地和海洋的源与汇的依据，并提供计算依据来对全球的大气中的二氧化碳量做一个很好的估计。

1. 现代全球二氧化碳和温度

如今，美国国家海洋和大气管理局全球监测司(NOAA/GMD)运作了一个广泛的国际空气采样点网络。几十年来，该组织在全球分布的空气采样点网络中测量了二氧化碳和其他温室气体(Conway et al.,1994;IPCC AR4, 2007)。通过拟合一条平滑曲线作为每个站点的时间函数，构建一个全球平均，然后将每个站点的平滑值作为纬度的函数绘制，每年采取48个相同的时间步长(IPCC AR4, 2007)。根据网络站点子集的测量结果，全球平均水平是根据每一时刻的纬度图(Masarie和Tans, 1995年)计算出来的。全球二氧化碳数据系列只考虑样本主要为大量大气的混合海洋边界层(MBL)空气代表的地点(IPCC AR4, 2007)。这些主要地点通常位于远离海岸的，有盛行风的海平线位置，以尽量减少内陆植被和工业的影响。在全球二氧化碳估计中不包括从高海拔地区和接近人为和自然来源和汇的地点进行的测量。MBL数据提供了全球趋势的低噪声的表示，允许直接从数据进行估计，而不需要应用大气传输模型(IPCC AR4, 2007)。

全球每月二氧化碳数据(NOAA)可于1980年1月获得，图1以图形方式显示，与全球海面温度(HadSST2)和全球海面温度(HadCRUT3)的月度数据一起，使用了英国东英吉利大学和哈德利中心发布的数据。此外，在本研究中，我们还分析了美国戈达德空间研究所(GISS)、美国国家气候数据中心(NCDC)和美国亨茨维尔阿拉巴马大学(UAH)发布的较低对流层温度数据。在论文的最后，可以找到一个URL的列表来获取所使用的数据。所有这些月度数据系列现在已经足够长来收集了大量的气候扰动，因此它们很可能揭示现代大气二氧化碳与温度耦合的本质。

图1所示，每月全球大气二氧化碳(NOOA：绿色；全球海面温度(HadSST2：蓝色)；全球地面气温(HadCRUT3：红色)，1980年1月开始，最近的一个月是2011年12月。

自1980年以来，全球大气二氧化碳(图1)在整个观测期间稳步增加。然而，由于与海洋和植被的动态交换所控制的二氧化碳源和汇量的季节性变化(IPCC AR4, 2007)，造成了这一总体发展上叠加了明显的年度循环变化(IPCC AR4, 2007)。两个温度系列HadSST2和HadCRUT3在这段时间内也出现了整体的增长，但它们的详细发展比二氧化碳更为复杂。此外，自2002年初以来，它们只显示了很小的净变化(Scafetta, 2011)。

一般来说，这两个温度记录是密切一致的。这也适用于本研究中考虑的其他三个温度记录(GISS, NCDC和UAH)，但这些没有显示在图1中，以避免视觉拥挤。由于陆地和海洋的半球分布不均匀，所有四种温度记录都显示出有节奏的年变化，尽管从图中很难看出这一点，因为其他短期变化往往占主导地位。

解决二氧化碳和温度之间的耦合程度并不像图1所示那样直观直观，但显然需要对数据系列进行更详细的研究。

1. DIFF12值

在分析月度数据之前，我们首先从全球大气二氧化碳数据序列中剔除了年度循环，计算了12个月的平均运行时间。这意味着我们在这里只把年变化看作是噪音，而是在寻找潜在的更长的信号，即二氧化碳的总体增加。由于从一个月的观测到附近的观测信号几乎是一样的，而噪声却不是，所以几个相邻的月的平均观测信号会趋向于只对信号值进行收敛。平滑或滤波最严重的结果是平滑曲线上的波峰波谷相对于原始数据的偏移。如果要比较多个数据系列，则必须在所有系列中应用相同的过滤，因为可能会出现虚假的效果，甚至可能会招致错误的解释(参见，例如，Stauning, 2011年的讨论)。

接下来，我们计算了过去12个月的二氧化碳平均浓度与前12个月的平均浓度之间的差值，接下来我们将其称为DIFF12(图形解释见图1)。换句话说，DIFF 12表示每年的净变化与每月的时间分辨率。在计算中考虑了上个月的技术差异值。通过这种方法，我们可以有效地观察和分析自1980年1月以来大气中二氧化碳总体增加的变化，而不受年变化的影响。

需要强调的是，扩散峰的存在并不意味着原始二氧化碳数据中存在浓度峰值，而是一个比其他数据增长更快的时期。同样值得强调的是，通过研究扩散值，我们正在研究的是大气中二氧化碳含量的变化率，而不是二氧化碳总量本身。然而，通过对观测期间的扩散值进行积分，二氧化碳总量的变化是有原因的。因此，在可以解释扩散值的程度上，大气中二氧化碳总量的变化也得到了解释。

接下来，我们比较了全球海平面(HadSST2)和全球表面空气温度(HadCRUT3)的DIFF12扩散二氧化碳计算结果。到此为止，所有的月度数据系列都暴露在相同的操作中，因此结果具有可比性。以确保没有寄生效应引入的数据过滤，我们对为经过滤的月数据进行了类似的分析，通过计算DIFF1_annual，DIFF1_annual定义为1个月和前一年相同月的区别，如2000年1月- 1999年1月,等。最后,所有DIFF1annual和DIFF12系列计算和绘制时间变化图(图2),获得图形概述。

从图2可以看出，经过12个月的过滤处理，相对于未过滤的DIFF1_annual值，DIFF12 峰值和最小值提前12个月发生了位移，与DIFF12定义的结果完全一致。然而，更重要的是，不同数据序列中峰值和低点之间的相对时间关系保持不变。如果通过滤波没有对峰值和低点的时间位移进行重要的后续分析，那么这可以通过改变绘图约定，并且在第一个12个月的区间上最后一个月，而不是在第二个区间上最后一个月，来得到DIFF12。因此，通过使用如上所述的12个月的过滤器，我们获得了相对于未过滤数据(图1)，在单个数据序列中底层信号的更清晰的图像(图2)。

在检查图2时，应注意图1中用于显示扩散值的垂直比例尺上的差异，特别是对于CO2，但是视觉印象是有指导意义的。二氧化碳扩散图始终为正，每年在0.5 - 3ppm之间，这是观测期间大气中二氧化碳不断增加的结果。平均的扩散速度约为1.7 ppm/年，正如预期的那样，在1980年到2011年期间，大气中的二氧化碳总量增加了51 ppm。从2004年开始，大气中二氧化碳扩散的平均值和最小值都比以前略高，但数据系列太短，无法评估这是否是一个重大进展。

两个温度记录的DIFF12月发展更为复杂，从正值到负值不等，反映了12个月的时间窗口中反复出现的增温和降温期。然而，最引人注目的观察是，所有三个扩散图都显示出彼此一致的变化，这表明内部耦合，或者另一个因素的共同影响，影响所有三个变量。

图2所示：全球大气二氧化碳浓度12个月的变化(NOAA：绿色)，全球海平面温度(HadSST2：蓝色)和全球地表气温(HadCRUT3;红色虚线)。上面的面板显示未经过滤的月值(例如2000年1月- 1999年1月)，而下面的面板显示经过过滤的值(DIFF12，过去12个月的平均值与过去12个月每个数据系列的平均值之间的差值)。二氧化碳扩散峰上的数字(1-9)和白色细线见表1。

图3显示了相同分析的结果，但这里使用的是美国戈达德空间研究所(GISS)的全球地表气温数据。总的视觉印象与图2所示相同:所有三个扩散图相互之间密切一致。

1. DIFF12表面温度分析

对图2和图3的详细考察提供了一些重要线索，揭示了全球温度和大气二氧化碳之间的重要关系。例如，与著名的1998年厄尔尼诺事件相关的显著温度变化峰被认为比相应的二氧化碳变化峰提前了近1年，而其他大部分扩散二氧化碳峰值也出现了几个月的类似滞后。图2中可见9个主要的DIFF12二氧化碳大气峰，表1显示了DIFF12二氧化碳的9个峰值以及HadSST2和HadCRUT3相应的9个DIFF12值。由此可见，DIFF12二氧化碳峰值通常与HadSST2和HadCRUT3的负或接近零的DIFF12值相关。

在图2和图3中可以观察到另一个有趣的细节。海洋表面温度变化峰通常发生在相应的全球表面空气温度变化峰之前不久，表明了一系列特征事件:1)全球表面温度的变化，2)全球表面空气温度的变化，3)全球大气CO2含量的变化。换句话说，在这种背景下，全球温度的变化似乎是在海洋表面开始的。

图4为DIFF12表面温度(GISS、HadCRUT3和HadSST2)与全球CO2数据的相关系数，研究大气CO2与三种不同地表温度记录的时间滞后关系。CO2与温度的最大正相关关系出现在GISS后9.5个月左右，HadCRUT3后10个月，HadSST2后11个月。

换句话说,大气中的二氧化碳含量的改变通常在相应的海洋表面温度的变化大约11个月后执行，在全球地表气温9.5-10个月后，再次显示,海洋表面温度的变化通常发生在相应的全球地表气温的变化前一点（1-1.5个月）(1)。CO2与温度之间最显著的正相关系数(0.45)接近HadSST2海面温度。然而，与地面空气温度的差异相对较小，HadCRUT3和GISS的最大正相关系数分别为0.40和0.43。

1. DIFF12陆地和海洋温度分析

NCDC关于地表空气温度的数据系列使分析大气CO2与陆地、海洋和全球地表温度子集之间的相关系成为可能。为了实现这一点，所有三个NCDC数据集都暴露在上面描述的DIFF12数值过程中。结果如图5所示。

陆地区域的DIFF12扩散NCDC数据比相应的海洋和全球地表气温记录显示出更明显的变化。正如预期的那样，海洋记录显

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