生物地球物理反馈与气候动力学raybet雷竞技最新

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20年代

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图1从现今气候到中期气候沙漠的减少raybet雷竞技最新全新世气候raybet雷竞技最新(a) Texier等人(1997)的模型，(b) Kutzbach等人(1996)的模型，以及(c) Claussen和Gayler(1997)的模型。(a, c)采用了deNoblet等人(2000)的修改，(b)采用了Kutzbach等人(1996)的修改。

20个经度

图1 (a) Texier等人(1997)、(b) Kutzbach等人(1996)和(c)raybet雷竞技最新 Claussen和Gayler(1997)的模型模拟的从现代气候到全新世中期气候的沙漠减少。(a, c)采用了deNoblet等人(2000)的修改，(b)采用了Kutzbach等人(1996)的修改。

在大气-海洋耦合模式中。结果表明，耦合过程之间的差异对大气-生物群系耦合模型的结果影响不大。因此，deNoblet等人(2000)得出结论，北非绿化的差异不能归因于耦合过程;它可以追溯到热带地区大气环流的不同表现形式。Claussen和Gayler(1997)的大气模式在某种程度上高估了北非季风的持续时间，而Texier等人(1997)的另一个模式产生了一个不现实的近地表压力分布，因此，环流过于纬向。作者论证了为什么一个模型产生了不现实的结果干旱的气候raybet雷竞技最新他们更“相信”另一种模式，因为北非存在强烈的生物地球物理反馈。但他们无法证明后一种模式是完全可信的。因此，这个问题当然需要进一步考虑。

第二个论点涉及到与海洋之间缺失的相互作用。因此，Kutzbach和Liu(1997)使用异步和部分耦合的大气-海洋模型(没有淡水通量，没有动态海冰模型)进行了模拟。他们发现，由于夏末海温增加，北非季风降水增加，使模型与古数据更接近。同样，Hewitt和Mitchell(1998)使用一个完全耦合的大气-海洋模式，观察到北非上空降水增加，但仍然没有数据显示的那么强烈。他们认为缺少生物圈反馈导致了他们的模型“失败”。Ganopolski等人(1998)使用不同组合的大气-植被-海洋耦合模型(如纯大气模型、大气-植被模型、大气-海洋模型和完全耦合模型)重新解决了这个问题。他们得出结论，在亚热带，生物圈反馈占主导地位(图2)，而这种反馈与由于SST增加而导致的季风降水增加之间的协同作用只增加了很少。

Ganopolski等人(1998)的模式是IPCC定义中唯一“真正的”气候模式，因为它包括了与全新世中期气候有关raybet雷竞技最新的气候系统的所有组成部分。然而，它的水平分辨率相当粗糙。因此，为了确定其结果，必须确认这些结果与模型分辨率无关。

3.多重平衡

由于气候系统各组成部分之间的相互作用是非线性的，人们可能期望有多个平衡解。raybet雷竞技最新Gut-man等人(1984)和Gutman(1984, 1985)在他们的纬向平均模型中只发现了唯一的稳态解。(实际上，他们认为他们的结果是“试探性的，仅仅是对所建议的方法的一个说明”，因为他们的模型很简单。)后来Claussen(1994)发现了三维大气-植被系统存在多重平衡的可能性，随后Claussen(1999,1998)对当今气候，即当今日照和海表温度进行了详细分析。raybet雷竞技最新大气-植被系统出现了两种解决方案:干旱的现代气候和更类似于全新世中期气候的潮湿解决方案，即撒哈拉比今天更绿，尽管比全新世中期更绿(图3)。raybet雷竞技最新

0 60 120 180 240 300 ATM + oce

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-0.9 -0.8 -0.4 -0.2 -0.1 -0.05 0.05图2 Ganopolksi等人(1998)模拟的从现代气候到全新世中期气候的沙漠减少。raybet雷竞技最新颜色标签指的是今天和6000年之间沙漠(无量纲)覆盖率的差异现在之前．利用现今陆地表面条件，仅用大气模式(ATM)和大气-海洋模式(ATM + OCE)获得的年平均降水和温度诊断沙漠部分。利用大气-植被模式(ATM + VEG)和全耦合模式(ATM + OCE + VEG)，从植被动态角度预测了沙漠成分。

图3计算了现代气候(a)和末次极期冰川气候(c)的多重平衡。对于全新世中期条件，只得到了一个解(b)。Claraybet雷竞技最新ussen (1997) (a)、Claussen和Gayler (1997) (b)以及Kubatzki和Claussen (1998) (c)的结果摘要。

图3计算了现代气候(a)和末次极期冰川气候(c)的多重平衡。对于全新世中期条件，只得到了一个解(b)。Claraybet雷竞技最新ussen (1997) (a)、Claussen和Gayler (1997) (b)以及Kubatzki和Claussen (1998) (c)的结果摘要。

这两种解决方案主要在北非的亚热带地区有所不同，但在东亚中部略有不同。最近，Wang和Eltahir(2000)和Zeng和Neelin(2000)通过使用完全不同的热带大气和动态植被模型，证实了西北非洲大气-植被系统存在多重平衡的可能性。

有趣的是，大气-植被系统的稳定性似乎随时间而变化:全新世中期植被的实验只得出一种解，即绿色撒哈拉沙漠(Claussen and Gayler, 1997)，而末次冰期最大值(LGM)存在两种解(Kubatzki and Claussen, 1998)。

到目前为止，地球上还没有发现其他可以大规模演化多重平衡的区域。Levis等人(1999)在北纬高纬度地区寻求大气-植被-海冰系统的多重解。他们的模型收敛于该地区的一个解决方案，证实了早期的断言(Claussen, 1998)，即多个解决方案在亚热带地区，主要是在北非。

为什么我们在亚热带地区找到了多种解决方案，而在高纬度地区却一个都没有?为什么我们在现代和LGM气候中找到了解决方案，而在全新世中期却找不到?raybet雷竞技最新Claussen等人(1998)分析了现代、全新世中期和LGM气候的大尺度大气模式。raybet雷竞技最新他们发现速度势模式，表明大尺度的发散和收敛大气流动主要分布在热带和亚热带地区。看来哈德利-沃克环流稍微向西移动。这与Charney(1975)关于亚热带反照率引起沙漠化的理论是一致的。此外，地表条件的变化直接影响热带地区的垂直运动，从而影响大规模水平流(Eltahir, 1996年)，但几乎不影响中高纬度地区(例如，Lofgren, 1995年5a,b)。对于全新世中期气候，大尺度大气流已经接近湿raybet雷竞技最新润模式，即使我们规定了今天的陆地表面条件。这是由日照差异造成的:在全新世中期的北方夏季，北半球接收到的能量比今天多40 W m~2，从而加强了非洲和亚洲的夏季风(Kutzbach和Guetter, 1986)。在LGM期间，日照与现在的条件非常接近。

Brovkin等人(1998)对多重平衡给出了更为生态学的解释。他们开发了一个西撒哈拉植被-降水相互作用的概念模型，用于解释综合模型的结果。概念模型为当今和LGM气候找到了三种解决方案;raybet雷竞技最新然而，其中一种对无限小的扰动是不稳定的。潮湿的解比干旱的解更不可能，这解释了的存在撒哈拉沙漠就像今天一样。对于全新世中期气候，只能得到一种解raybet雷竞技最新。将概念模型应用于高纬度地区的生物圈反馈(Levis et al.， 1999)，在当前条件下只能得到一个解。

多重平衡仅仅是大气-植被系统的问题，还是它们也发生在大气-海洋-植被系统中?到目前为止，我们还没有在Ganopolski et al.(1998)的模型中找到多个解。(该模型获得与的多个状态相关联的多个解温盐对流)。我将这种缺陷归咎于该模型的粗糙分辨率，因为北非仅由三个网格框表示，撒哈拉、苏丹和热带北非。随后,

Ganopolski等人(1998)的粗模型中的撒哈拉降水对地表条件变化的敏感性低于Claussen(1997,1998)使用的模型中的撒哈拉西部降水。另一方面，Ganopolski et al.(1998)的研究表明，北非地区的生物地球物理反馈主要是植被-大气反馈。因此，我认为我们从植被-大气耦合模式得出的结论通常是有效的，即植被-大气-海洋模式(水平分辨率更高)在北非地区也应该表现出多重平衡。

4.瞬态交互

多重均衡的讨论似乎有点学术性。然而，这些因素的存在可以解释植被结构的突变(Claussen et al.， 1998;Brovkin et al.， 1998)。如果全局稳定性的变化是指一个平衡解在有限振幅扰动下变得比其他平衡解更不稳定，那么可以预期系统从较不稳定的平衡到较稳定的平衡的突变。Brovkin等人(1998)在他们的概念模型中发现，绿色溶液在3.6 ka B.P.左右变得不那么稳定。要记住，在北非的干旱地区，潮湿地区的降水变异性要比干旱地区大(例如，Eischeid等人，1991)，人们可以预期大约在6到4之间的过渡ka BP．

事实上，有证据表明，北非全新世中期的湿期结束于大约5.0-4.5 ka B.P.，即使是在东撒哈拉的高大陆位置(Pachur and Wtinnemann, 1996;Pachur和Altmann, 1997)。Petit-Maire和Guo(1996)提供的数据表明，向今天干旱气候的过渡不是逐渐发生的，而是在6.7-5.5 ka B.P.和4-3.6 ka B.P.分两个阶段发生的raybet雷竞技最新撒哈拉沙漠东部从5.7 ~ 4 ka b.p.开始消失，在湿期结束时含水层补给停止(Pachur and Hoelzmann, 1991)。Pachur和

在此之前

图4撒哈拉植被分数(全线，左纵坐标)对北半球北方夏季日照变化的响应(虚线，右纵坐标)。横坐标表示在此之前的年数。图4是Claussen et al.(1999)的修改图。

在此之前

图4撒哈拉植被分数(全线，左纵坐标)对北半球北方夏季日照变化的响应(虚线，右纵坐标)。横坐标表示在此之前的年数。图4是Claussen et al.(1999)的修改图。

Hoelzmann(个人通讯)认为在全新世中期末期，西撒哈拉的气候变化要比东撒哈拉快。raybet雷竞技最新事实上，deMenocal等人(2000)报告了一种突然下降风成尘埃5500年前在西北非洲大西洋海岸的运输。这种重建符合撒哈拉西部而不是撒哈拉东部多重平衡的假设。

上述论点是基于对处于或接近平衡态的系统的研究。只有完全耦合的动态植被模型才能探索生物地球物理反馈的时间演化。Claussen et al.(1999)使用Ganopolski et al.(1998)的大气-海洋-植被耦合模型分析了全球植被格局和气候的瞬态结构，但使用了动态植被模块。raybet雷竞技最新他们的模拟清楚地显示(而不仅仅是暗示)轨道强迫的细微变化引发了北非气候的变化，然后这种变化被该地区的生物地球物理反馈强烈放大。raybet雷竞技最新转变的时间，在模型中开始于5.5 ka B.P.左右(图4)，由大气、海洋、海冰和植被之间的全球相互作用决定。这种相互作用受到热带海温变化以及第2.1节中提到的生物圈和海洋反馈之间的协同作用的影响，后者影响大规模经向温度梯度。因此，突然的沙漠化——相对于轨道强迫的细微变化而言——是一种区域效应。然而，它的时机取决于全球进程。热带海温还是北纬高纬度的生物圈反馈主导后者仍有待评估。

5.视角

利用植被-气候耦合模式对生物圈反馈的研究才刚刚开始。raybet雷竞技最新因此，现在得出结论还为时过早，真正意义上的结论总是意味着某种“终结”。相反，我试图进一步“打开”这个问题。

到目前为止，已经认识到有生物地球物理反馈影响(全球)气候系统。raybet雷竞技最新然而，如上所述，生物地球物理反馈的理论分析往往侧重于协同作用而不是反馈。模拟了几种生物地球物理反馈(包括它们与其他反馈(例如海洋反馈)的协同作用)对气候系统的影响，但没有注意个别反馈的作用。raybet雷竞技最新为了说明这个问题，我简要回顾了施莱辛格(1988)和佩克托和奥尔特(1992)提出的经典反馈分析，并将他们的分析扩展到包括协同效应。

让我们假设气候系统的状态取决于外部强迫E，如日照和人为土地覆盖变化，以及raybet雷竞技最新内部过程。任何外部强迫E将改变以广泛变量S定义的气候系统的状态，因此S = G E，其中G是一个敏感因子，有时也被raybet雷竞技最新称为增益。无反馈时，系统响应为S0 = G0 e。有反馈时，

图5线性反馈分析(A,b)及其对协同效应的扩展(c)的示意图。G和G0分别表示有反馈和没有反馈的系统增益。S为系统对外力e的响应。H， (i = 1,2,3)为内部过程或反馈过程。Hi2和H2}分别是H，和H2以及H2和H”之间的协同过程，它们修改了输出H, S {i = 1,2,3，)。S是非线性系统的响应。在这个草图中，省略了两个以上内部过程之间的协同作用，(a)和(b)采用了Peixoto和Oort(1992)的修改。

图5线性反馈分析(A,b)及其对协同效应的扩展(c)的示意图。G和G0分别表示有反馈和没有反馈的系统增益。S为系统对外力e的响应。H， (i = 1,2,3)为内部过程或反馈过程。Hi2和H2}分别是H，和H2以及H2和H”之间的协同过程，它们修改了输出H, S {i = 1,2,3，)。S是非线性系统的响应。在这个草图中，省略了两个以上内部过程之间的协同作用，(a)和(b)采用了Peixoto和Oort(1992)的修改。

然而，我们必须假设整个系统的响应S被一些内部或反馈过程H;所修改，由S触发。这些内部过程的输出(Ef/) S -馈送到系统中(见图5)。

因子G " H，叫做反馈/。因此G = G0 I(1 - 2/)。Peixoto和Oort(1992)指出，这种分析是基于不存在协同作用的假设，即反馈之间的相互作用。为了扩展他们的分析，可以定义一个多维传递函数G，它不仅包括反馈，还包括反馈之间的协同作用。形式上，可以写成S = GE，其中S是整个系统的响应，和

S = G0E + (l) /) + (m) + (im ^年代 + • • •, /;表示两个过程F/和//(用i /)，和/，，;，H " HP和F/之间的协同作用。(i t4 j k)。对于反馈，我们可以区分积极的，即放大协同效应，如果/，> 0，和消极的，如果f < 0。值得注意的是，这种分析依赖于所选择的参考状态。一般来说，无论施加外力E还是- E，增益G和响应S都是不同的。

为了说明，我从Ganopolski等人(1998)总结的全新世中期温度变化的模型结果中计算了反馈/和协同/。通过检查表1，就可以清楚地看到为什么2.1节中提到的所谓的生物群落悖论不是一个纯粹的“生物群落”悖论，而是来自生物地球物理和海洋反馈之间的协同作用。反馈分析得到正反馈/，和/。因此，大气-海洋反馈/和大气-植被的反馈F2，倾向于通过增强辐射强迫来“反对”冬季降温;然而，它们还不足以产生变暖。没有协同作用的系统响应将产生相对于当前气候的冷却，即AS = S(6k) -S(0k) < 0，其中S(6k) = S0(6fc)/(1-/，-/)。raybet雷竞技最新正是这些反馈之间的协同作用/±2产生了冬季变暖，表1中AS = S(6k) ~ S(0k) > 0和fu > >kU表示

Berger(1999)使用Stein和Alpert(1993)提出的因素分离技术来探索反馈和协同效应。正在进行的研究表明，这两种方法——我对经典反馈分析的扩展和因素分离技术——是相似的，如果适当归一化，它们会产生相同的结果。

在这种背景下，应该强调的是，在人为土地覆盖变化的调查中，协同作用的问题被忽视了。这些实验通常作为敏感性实验进行，即分析大气对(规定的)土地覆盖变化的响应。因此这些实验并不真正属于反馈实验的范畴。然而，如果考虑更长的时间尺度，在不受人为土地利用直接影响的地区，(规定的)土地覆盖变化可能引发自然植被的变化(例如，Brovkin等人，1999)，也许更重要的是，它们可能引发与其他反馈的协同作用。例如，正在进行的工作(Ganopolski et al, 2000)表明，使用Ganopolski et al(1998)的模型，的影响热带森林砍伐不同，如果我们考虑海洋反馈的话。在温带地区，我们发现在固定海温的情况下，夏季变暖，但在海洋相互作用的情况下，夏季变冷。

生物地球物理反馈可导致气候系统的多重平衡，并影响气候系统的(瞬态)动力学。raybet雷竞技最新与此同时，有三家公司已经证明了这一点

表1北半球夏季(6月、7月、8月)、冬季(12月、1月、2月)北半球、北半球各大陆和南半球平均温度变化的海洋反馈因子/、生物地球物理反馈因子/和它们的协同作用/、轨道参数从6000年前到今天

温度

表1 6000年前至今北半球夏季(6月、7月、8月)、冬季(12月、1月、2月)和年平均轨道参数变化对北半球、北半球各大陆和南半球平均温度变化的海洋反馈因子/、生物地球物理反馈因子/及其协同效应/

温度

的值/,/,/;是按比例缩小的10倍3.AS表示没有任何协同作用的线性系统的响应与当前信号之间的差异。AS是全新世中期和现代整个系统响应之间的差异。

的值/,/,/;是103的倍数。AS表示没有任何协同作用的线性系统的响应与当前信号之间的差异。AS是全新世中期和现代整个系统响应之间的差异。

完全不同的模型——用于大气-植被系统，但还没有用于完整的气候系统。raybet雷竞技最新因此，我们必须将多重平衡的存在作为一种假设，等待进一步的分析和古气候模拟。raybet雷竞技最新

当然，验证是这个领域的一个主要问题。到目前为止，我主要讨论了古气候模拟。raybet雷竞技最新有一个很好的理由:在许多关于生物圈-气候相互作用的论文中，验证并没有真正被考虑。raybet雷竞技最新相反，根据当今气候进行校准的模型被应用于情景实验。raybet雷竞技最新从学术的角度来看，这些实验很有趣。然而，它们对未来气候评估的价值是有限的。raybet雷竞技最新

通常，验证是分开进行的。一方面，模拟大气模式中近地表能量、水分和动量通量的模块根据数据进行评估(例如，在PILPS框架内，地表参数化方案相互比较项目;Henderson-Sellers et al.， 1995)。另一方面，通过与其他模型的相互比较来检验植被模型(Cramer et al, 2000)。这可能只是第一步，只要大气模型和植被模型不直接耦合，这是非常合适的;例如，如果两个模型不共享相同的模块土壤水文．如果考虑全耦合模式的验证，特别是大陆尺度植被动态的验证，那么将模式结果与古气候重建进行比较是唯一的方法。raybet雷竞技最新作为一个副作用，这种方法有一个优点，即气候建模者不需要依赖“软”数据，即间接得出大气状态的代理数据。raybet雷竞技最新相反，生物圈变量作为气候系统模型的(预测)状态变量出现，可用于直接验证。raybet雷竞技最新古气候模拟相互比较项目(Joussaumraybet雷竞技最新e和Taylor, 1995)为这项工作提供了一个适当的框架。

最后，生物地球物理反馈和生物地球化学反馈是密切相关的(Schimel, 1998)。在大气成分几乎恒定的时期，忽略生物地球化学反馈似乎是合理的，这可能是不存在的。即使在过去的6000-8000年里，大气中的二氧化碳浓度也增加了约20ppm (Indermiihle et al, 1999)。这种增加是由北方森林和亚热带(主要是北非)草地和热带草原的减少引起的假设与Indermiihle等人重建的5M C值并不矛盾。因此，人们可能会怀疑，过去6000-8000年间植被的减少通过生物地球物理反馈和协同作用放大了长期的冷却，同时也通过生物地球化学反馈削弱了冷却趋势。

生物地球物理反馈和生物地球化学反馈之间的相互作用是非常微妙的:后者通过与温室气体的相互作用趋于负，前者可以是正的，也可以是负的，这取决于植被结构的变化对蒸发或反照率的影响更大。探索生物地球物理-生物地球化学相互作用的时空动态将是一项有趣的任务。据推测，在地球上有一些区域，根据外力和地球的历史，其中一个或另一个占主导地位。我

我敢打赌，通过解开这个谜题，我们将会找到气候系统稳定性问题的答案，这是评估当今气候对大规模扰动的恢复能力的先决条件，例如持续释放的温室气体raybet雷竞技最新化石燃料燃烧的产物进入大气或陆地植被覆盖的破碎。

致谢

如果没有攀登者小组的富有成效的讨论，这一章是不可能完成的，特别是与维克多·布罗夫金、安德烈·加诺波利斯基、克劳迪娅·库巴茨基、斯特凡·拉姆斯托夫和弗拉基米尔·佩图霍夫的讨论。此外，我感谢André Berger, Université catholic Louvain la Neuve提出的建设性意见。这项工作部分由欧盟资助，合同ENV4-CT97-0696。

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