Global heat balance and heat uptake in potential temperature coordinates
Global heat balance and heat uptake in potential temperature coordinates
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位温坐标中的全球热平衡和吸热量
DOI：
10.1007/s00382-021-05832-7
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
4.6
通讯作者：
Hochet A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hochet A
用于气候变化减缓战略政策咨询的简单气候模式中海洋热吸收的表示往往是基于一维垂直平流/扩散方程（VAD）的变体，用于某种平均形式的潜在温度。在这种模式中，有效平流和湍流扩散通常被调整以模拟给定目标气候模式的行为。然而，由于这种“行为”校准的统计性质通常掩盖了有效扩散和平流对造成海洋热量吸收的实际物理过程的确切依赖性，因此很难理解其局限性以及如何着手改进VAD。本文提出了一种物理校准的VAD，旨在提供明确的可追溯性的有效扩散和平流的过程负责海洋热吸收。这种构造依赖于使用位温坐标对位温的全三维平流扩散进行粗粒化。该配方的主要优点是，参考温度剖面的时间演变完全是由于有效扩散率之间的竞争，总是正定的，和水的质量转换发生在表面上，在经典的水团分析文献。这些量在当今气候和全球变暖实验的数值模拟中进行了评估。在这个框架下，全球变暖实验中的热量吸收归因于低纬地区地表热通量的增加，高纬地区地表热通量的减少以及扩散通量导致的热量向低温的再分配。
The representation of ocean heat uptake in Simple Climate Models used for policy advice on climate change mitigation strategies is often based on variants of the one-dimensional Vertical Advection/Diffusion equation (VAD) for some averaged form of potential temperature. In such models, the effective advection and turbulent diffusion are usually tuned to emulate the behaviour of a given target climate model. However, because the statistical nature of such a “behavioural” calibration usually obscures the exact dependence of the effective diffusion and advection on the actual physical processes responsible for ocean heat uptake, it is difficult to understand its limitations and how to go about improving VADs. This paper proposes a physical calibration of the VAD that aims to provide explicit traceability of effective diffusion and advection to the processes responsible for ocean heat uptake. This construction relies on the coarse-graining of the full three-dimensional advection diffusion for potential temperature using potential temperature coordinates. The main advantage of this formulation is that the temporal evolution of the reference temperature profile is entirely due to the competition between effective diffusivity that is always positive definite, and the water mass transformation taking place at the surface, as in classical water mass analyses literature. These quantities are evaluated in numerical simulations of present day climate and global warming experiments. In this framework, the heat uptake in the global warming experiment is attributed to the increase of surface heat flux at low latitudes, its decrease at high latitudes and to the redistribution of heat toward cold temperatures made by diffusive flux.
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