American Geophysical Union (AGU)

Chúng tôi trình bày bộ dữ liệu về băng biển và nhiệt độ bề mặt biển (SST) của Trung tâm Hadley thuộc Cơ quan Khí tượng Anh, HadISST1, cũng như bộ dữ liệu nhiệt độ không khí biển vào ban đêm (NMAT), HadMAT1. HadISST1 thay thế các bộ dữ liệu băng biển và nhiệt độ bề mặt biển toàn cầu (GISST), và là sự kết hợp độc đáo của các trường SST và nồng độ băng biển hoàn chỉnh toàn cầu hàng tháng trên lưới kinh độ - vĩ độ 1° từ năm 1871. Kèm theo HadMAT1 chạy hàng tháng từ năm 1856 trên lưới kinh độ - vĩ độ 5° và bao gồm các điều chỉnh mới cho ảnh hưởng của chiều cao boong (và do đó là chiều cao đo) lên NMAT. Nhiệt độ của HadISST1 và HadMAT1 được tái tạo bằng cách sử dụng quy trình nội suy tối ưu trong không gian giảm hai giai đoạn, sau đó là sự cộng hưởng của các quan sát lưới đã được cải tiến chất lượng lên các kết quả tái tạo nhằm phục hồi chi tiết địa phương. Các trường băng biển được làm đồng nhất hơn bằng cách bù đắp nồng độ băng biển dựa trên vệ tinh cho tác động của các hiệu ứng tan chảy trên bề mặt lên các kết quả trong khu vực Bắc Cực và cho các thiếu sót của thuật toán ở Nam Cực, cũng như làm cho các nồng độ in situ lịch sử nhất quán với dữ liệu vệ tinh. Nhiệt độ SST gần băng biển được ước tính bằng các mối liên hệ thống kê giữa SST và nồng độ băng biển. HadISST1 so sánh tốt với các phân tích đã công bố khác, nắm bắt các xu hướng trong SST toàn cầu, bán cầu và khu vực với độ chính xác cao, chứa các trường SST có phương sai đồng nhất hơn theo thời gian và khả năng duy trì tốt hơn từ tháng này sang tháng khác so với những trường trong GISST. HadMAT1 nhất quán hơn với SST và với nhiệt độ không khí bề mặt đất cùng vị trí hơn các bộ dữ liệu NMAT trước đó.

Một mô hình chuyển giao bức xạ nhanh và chính xác (RRTM) cho các ứng dụng khí hậu đã được phát triển và kết quả được đánh giá rộng rãi. Phiên bản hiện tại của RRTM tính toán lưu lượng và tốc độ làm mát cho vùng phổ bức xạ dài (10–3000 cm⁻¹) cho một bầu khí quyển trong suốt tùy ý. Các loài phân tử được xử lý trong mô hình bao gồm hơi nước, carbon dioxide, ozone, methane, nitrous oxide, và các halocarbon phổ biến. Chuyển giao bức xạ trong RRTM được thực hiện bằng phương pháp đồng kết-k: các phân bố k được thu được trực tiếp từ mô hình line‐by‐line LBLRTM, kết nối các hệ số hấp thụ mà RRTM sử dụng với các xác thực bức xạ ở độ phân giải cao được thực hiện bằng các quan sát. Các phương pháp tinh chỉnh đã được phát triển để xử lý các băng tần chứa các khí có khả năng hấp thụ chồng chéo, để xác định giá trị của hàm Planck thích hợp để sử dụng trong phương pháp đồng kết-k, và cho việc đưa vào các loài hấp thụ nhỏ trong một băng tần. Kết quả lưu lượng và tốc độ làm mát của RRTM được liên kết với đo lường thông qua việc sử dụng LBLRTM, đã được xác thực một cách đáng kể với các quan sát. Các xác thực RRTM sử dụng LBLRTM đã được thực hiện cho mùa hè ở trung lục địa, nhiệt đới, mùa đông trung lục địa, mùa đông cận cực và bốn bầu khí quyển từ chiến dịch Thí nghiệm Bức xạ Quang phổ. Dựa trên những xác thực này, độ chính xác bức xạ dài của RRTM cho bất kỳ bầu khí quyển nào là như sau: 0,6 W m⁻² (so với LBLRTM) cho lưu lượng ròng ở mỗi băng tần tại mọi độ cao, với lỗi tổng cộng (10–3000 cm⁻¹) nhỏ hơn 1,0 W m⁻² tại bất kỳ độ cao nào; 0,07 K d⁻¹ cho lỗi tổng tốc độ làm mát trong tầng đối lưu và tầng bình lưu thấp, và 0,75 K d⁻¹ trong tầng bình lưu trên và cao hơn. Các so sánh khác đã được thực hiện trên RRTM sử dụng LBLRTM để đo lường độ nhạy của nó đối với sự thay đổi trong độ phong phú của các loài cụ thể, bao gồm các halocarbon và carbon dioxide. Sự cưỡng bức bức xạ do việc tăng gấp đôi nồng độ carbon dioxide được đạt được với độ chính xác 0,24 W m⁻², với lỗi nhỏ hơn 5%. Tốc độ thực hiện của RRTM so với các mô hình bức xạ nhanh khác cho thấy rằng mô hình này phù hợp để sử dụng trong các mô hình tuần hoàn chung.

Đã được thiết kế một biểu đồ có thể cung cấp một tóm tắt thống kê ngắn gọn về mức độ khớp nhau của các mẫu theo cả tương quan, sai số căn bậc hai trung bình và tỷ lệ giữa các phương sai của chúng. Mặc dù hình thức của biểu đồ này là tổng quát, nhưng nó đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá các mô hình phức tạp, chẳng hạn như những mô hình được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng địa vật lý. Các ví dụ được đưa ra cho thấy rằng biểu đồ có thể được sử dụng để tóm tắt những ưu điểm tương đối của một tập hợp các mô hình khác nhau hoặc để theo dõi sự thay đổi về hiệu suất của một mô hình khi nó được điều chỉnh. Các phương pháp được gợi ý để chỉ ra trên những biểu đồ này ý nghĩa thống kê của những sự khác biệt rõ rệt và mức độ mà sự không chắc chắn trong quan sát và tính biến thiên nội tại không bị ép buộc hạn chế sự đồng thuận mong đợi giữa hành vi được mô phỏng bởi mô hình và hành vi quan sát. Mối quan hệ hình học giữa các thống kê được vẽ trên biểu đồ cũng cung cấp một số hướng dẫn cho việc phát triển các điểm số kỹ năng mà cân nhắc hợp lý giữa các thước đo của sự tương ứng mẫu.

Các mối quan hệ giữa tốc độ gió và sự trao đổi khí, cùng với kiến thức về sự chênh lệch áp suất riêng phần của CO₂ tại giao diện không khí - biển thường được sử dụng để xác định dòng CO₂ giữa đại dương và khí quyển. Chưa có nhiều sự chú ý đến ảnh hưởng của sự biến thiên trong tốc độ gió đến tốc độ trao đổi khí tính toán và khả năng cải thiện hóa học của sự trao đổi CO₂ ở tốc độ gió thấp trên đại dương. Ảnh hưởng của các tham số này được minh họa bằng cách sử dụng sự phụ thuộc bậc hai của sự trao đổi khí vào tốc độ gió, được điều chỉnh theo tốc độ trao đổi khí trên đại dương được xác định bằng phương pháp thiếu cân bằng tự nhiên-¹⁴C và phương pháp kho bomb-¹⁴C. Một phần sự biến thiên giữa các bộ dữ liệu khác nhau có thể được giải thích bởi các cơ chế được đề xuất, nhưng phần lớn sự biến thiên dường như do các nguyên nhân khác. Những nguyên nhân có thể gây ra sự khác biệt lớn giữa hai mối quan hệ thường được sử dụng nhất về sự trao đổi khí và tốc độ gió cũng được thảo luận. Để xác định dòng khí khác ngoài CO₂ qua giao diện không khí-nước, các biểu thức liên quan đến sự trao đổi khí, và sự phụ thuộc vào nhiệt độ và độ mặn của số Schmidt và độ hòa tan của một số khí có liên quan đến môi trường được bao gồm trong một phụ lục.

Yếu tố chính của sự biến đổi khí hậu gần đây được quan sát là lực tác động bức xạ từ sự gia tăng nồng độ của các khí nhà kính lâu dài (LLGHGs). Việc mô phỏng hiệu quả sự biến đổi khí hậu nhân tạo bởi các mô hình tuần hoàn chung (GCMs) phụ thuộc mạnh mẽ vào việc thể hiện chính xác các quá trình bức xạ liên quan đến hơi nước, ozon và LLGHGs. Trong bối cảnh ứng dụng ngày càng tăng của các mô hình bức xạ của Công ty Nghiên cứu Khí quyển và Môi trường (AER) trong cộng đồng GCM, khả năng của chúng để tính toán lực tác động bức xạ dài sóng và ngắn sóng cho các kịch bản trời quang đã được kiểm tra trước đó bởi dự án so sánh mô hình chuyển giao bức xạ (RTMIP) được trình bày. Các phép tính lực tác động với các mô hình line‐by‐line (LBL) của AER rất nhất quán với các kết quả line‐by‐line của RTMIP trong cả hai loại sóng dài và ngắn. Các mô hình băng thông rộng của AER, trong tất cả trừ một trường hợp, tính toán lực tác động dài sóng trong khoảng từ −0.20 đến 0.23 W m⁻² so với các phép tính LBL và lực tác động ngắn sóng trong khoảng từ −0.16 đến 0.38 W m⁻² so với các kết quả LBL. Những mô hình này cũng hoạt động tốt ở bề mặt, mà RTMIP đã xác định là một cấp độ mà các mô hình bức xạ GCM gặp khó khăn đặc biệt trong việc tái tạo các flux LBL. Các biến động trong hồ sơ gia nhiệt được tính toán bởi các mô hình băng thông rộng thường tái tạo các phép tính độ phân giải cao với độ sai lệch trong vài phần trăm K d⁻¹ trong tầng đối lưu và trong 0.15 K d⁻¹ ở mức gia nhiệt đỉnh trong tầng bình lưu gần 1 hPa. Trong hầu hết các trường hợp, các mô hình băng thông rộng của AER cung cấp kết quả lực tác động bức xạ mà gần hơn với các phép tính độ phân giải cao hơn so với các mã bức xạ GCM được kiểm tra bởi RTMIP, điều này hỗ trợ ứng dụng của các mô hình AER vào nghiên cứu biến đổi khí hậu.

Các đánh giá số về chất lượng không khí toàn cầu và những thay đổi tiềm ẩn trong các thành phần hóa học khí quyển yêu cầu các ước tính về dòng phát thải bề mặt của nhiều loài khí vi lượng khác nhau. Chúng tôi đã phát triển một mô hình toàn cầu để ước tính phát thải hợp chất hữu cơ bay hơi từ các nguồn tự nhiên (NVOC). Methane không được xem xét ở đây và đã được xem xét chi tiết ở những nghiên cứu khác. Mô hình có lưới không gian được phân giải cao (0,5°×0,5° vĩ độ/kinh độ) và tạo ra các ước tính phát thải trung bình theo giờ. Các loài hóa học được phân nhóm thành bốn loại: isoprene, monoterpen, các VOC phản ứng khác (ORVOC), và các VOC khác (OVOC). Phát thải NVOC từ đại dương được ước tính dựa trên các biến số vật lý địa chất từ mô hình lưu thông tổng quát và dữ liệu vệ tinh nhận diện màu nước biển. Phát thải từ lá cây được ước tính từ các yếu tố sinh khối và phát thải cụ thể của hệ sinh thái cùng với các thuật toán mô tả sự phụ thuộc vào ánh sáng và nhiệt độ của phát thải NVOC. Các ước tính về độ dày tán lá dựa trên các biến số khí hậu và dữ liệu vệ tinh. Các biến động theo thời gian trong mô hình được điều khiển bởi các ước tính hàng tháng về sinh khối và nhiệt độ cùng với các ước tính ánh sáng theo giờ. Dòng VOC toàn cầu hàng năm được ước tính là 1150 Tg C, trong đó 44% là isoprene, 11% là monoterpen, 22,5% là các VOC phản ứng khác và 22,5% là các VOC khác. Có nhiều độ không chắc chắn lớn đối với mỗi ước tính này, đặc biệt là đối với các hợp chất không phải isoprene và monoterpen. Các khu rừng nhiệt đới (rừng mưa, rừng theo mùa, rừng rụng lá vào mùa khô, và savanna) đóng góp khoảng một nửa tổng phát thải VOC tự nhiên toàn cầu. Các vùng đất canh tác, các vùng cây bụi và các rừng khác đóng góp từ 10-20% mỗi loại. Phát thải isoprene được tính toán cho các vùng ôn đới cao hơn gấp 5 lần so với các ước tính trước đây.

Một mô hình sóng số thế hệ thứ ba để tính toán các sóng ngẫu nhiên, sóng ngắn đỉnh trong các khu vực ven biển có nước nông và dòng chảy môi trường (Mô phỏng sóng gần bờ (SWAN)) đã được phát triển, triển khai và xác thực. Mô hình dựa trên một công thức Euler cho cân bằng phổ rời rạc của mật độ hành động, có tính đến sự lan truyền khúc xạ qua địa hình đáy vô hình và các trường dòng chảy. Nó được cung cấp bởi các điều kiện biên và gió địa phương. Như trong các mô hình sóng thế hệ thứ ba khác, các quá trình phát sinh sóng do gió, tạo bọt trắng, tương tác sóng bốn và tiêu tan dưới đáy được thể hiện một cách rõ ràng. Trong SWAN, các tương tác sóng ba và hiện tượng vỡ sóng do độ sâu được thêm vào. Trái ngược với các mô hình sóng thế hệ thứ ba khác, sơ đồ lan truyền số là ngụ ý, điều này có nghĩa là các phép tính hiệu quả hơn trong nước nông. Kết quả của mô hình phù hợp tốt với các giải pháp phân tích, quan sát trong phòng thí nghiệm và (tổng quát) các quan sát thực địa.

Một bộ chỉ số biến đổi khí hậu được tính toán từ dữ liệu nhiệt độ và lượng mưa hàng ngày, với trọng tâm chính vào các sự kiện cực đoan, đã được tính toán và phân tích. Bằng cách thiết lập một công thức chính xác cho từng chỉ số và sử dụng phần mềm được thiết kế đặc biệt, các phân tích thực hiện ở các quốc gia khác nhau đã được kết hợp một cách liền mạch. Điều này đã cho phép trình bày bức tranh toàn cầu cập nhật và đầy đủ nhất về xu hướng trong các chỉ số nhiệt độ và lượng mưa cực đoan bằng cách sử dụng kết quả từ một số hội thảo được tổ chức ở các khu vực thiếu dữ liệu và dữ liệu trạm chất lượng cao do nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới cung cấp. Các chỉ số theo mùa và hàng năm cho giai đoạn 1951–2003 đã được lưới hóa. Xu hướng trong các trường lưới đã được tính toán và kiểm tra độ chính xác thống kê. Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể phổ biến trong các cực trị nhiệt độ liên quan đến sự nóng lên, đặc biệt là đối với những chỉ số được tính toán từ nhiệt độ tối thiểu hàng ngày. Hơn 70% diện tích đất toàn cầu được lấy mẫu cho thấy sự giảm đáng kể trong tần suất năm các đêm lạnh và sự gia tăng đáng kể trong tần suất năm các đêm ấm. Một số vùng đã chứng kiến sự tăng gấp đôi các chỉ số này. Điều này hàm ý một sự thay đổi tích cực trong sự phân bố nhiệt độ tối thiểu hàng ngày trên toàn cầu. Các chỉ số nhiệt độ tối đa hàng ngày cho thấy những thay đổi tương tự nhưng ở mức độ nhỏ hơn. Những thay đổi trong lượng mưa cho thấy sự tăng đáng kể và rộng rãi, nhưng các thay đổi này ít đồng nhất về mặt không gian so với sự thay đổi nhiệt độ. Các phân phối xác suất của các chỉ số được tính toán từ khoảng 200 trạm nhiệt độ và 600 trạm lượng mưa, với dữ liệu gần như hoàn chỉnh cho giai đoạn 1901–2003 và bao phủ một khu vực rất lớn của miền trung Bắc Bán cầu (và một phần của Australia đối với lượng mưa) đã được phân tích cho các giai đoạn 1901–1950, 1951–1978 và 1979–2003. Kết quả cho thấy sự nóng lên rõ rệt trong suốt thế kỷ 20. Sự khác biệt trong phân bố các chỉ số nhiệt độ đặc biệt rõ ràng giữa hai giai đoạn gần đây nhất và đối với những chỉ số liên quan đến nhiệt độ tối thiểu. Một phân tích về những chỉ số có chuỗi thời gian theo mùa cho thấy rằng những thay đổi này xảy ra cho tất cả các mùa mặc dù chúng thường ít rõ ràng nhất cho tháng Chín đến tháng Mười Một. Các chỉ số lượng mưa cho thấy xu hướng hướng tới điều kiện ẩm ướt trong suốt thế kỷ 20.

Các dữ liệu về đồng vị phóng xạ gần đây và khoảng cách các bất đồng từ đã chỉ ra rằng cần có điều chỉnh cho các phép hiệu chỉnh tuổi của thang thời gian cực từ địa từ học do Cande và Kent (1992) tại ranh giới kỷ Creta/Paleogen và trong kỷ Đệ tân. Một niên đại đảo chiều địa từ được điều chỉnh cho kỷ Creta muộn và đại Tân được trình bày, nhất quán với niên đại thiên văn học trong kỷ Đệ Tứ và Đệ Tam và với thang thời gian mới cho kỷ Trung sinh.

Các hình thức gần như trùng khớp của các mối quan hệ giữa mô men địa chấn M₀ và các độ lớn M_L, M_S, và M_w ám chỉ một thang độ lớn mô men M = ⅔ log M₀ ‐ 10.7, điều này hoàn toàn đúng cho 3 ≲ M_L ≲ 7, 5 ≲ M_S ≲ 7½, và M_w ≳ 7½.