Mechanisms of millennial-scale atmospheric CO2 change in numerical model simulations
Highlights•Comparison of modelled atmospheric CO2 change in 778 numerical model simulations.•General agreement on sign of modelled CO2 change for different types of forcing.•Inter-model differences in the mechanisms driving CO2 change for a given forcing.•Differences in model structure and forcing parameters affect modelled CO2 amplitude.•Future needs in coupled carbon cycle-climate modelling are highlighted.AbstractNumerical models are important tools for understanding the processes and feedbacks in the Earth system, including those involving changes in atmospheric CO2 (CO2,atm) concentrations. Here, we compile 55 published model studies (consisting of 778 individual simulations) that assess the impact of six forcing mechanisms on millennial-scale CO2,atm variations: changes in freshwater supply to the North Atlantic and Southern Ocean, the strength and position of the southern-hemisphere westerlies, Antarctic sea ice extent, and aeolian dust fluxes. We generally find agreement on the direction of simulated CO2,atm change across simulations, but the amplitude of change is inconsistent, primarily due to the different complexities of the model representation of Earth system processes. When freshwater is added to the North Atlantic, a reduced Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) is generally accompanied by an increase in Southern Ocean- and Pacific overturning, reduced Antarctic sea ice extent, spatially varying export production, and changes in carbon storage in the Atlantic (rising), in other ocean basins (generally decreasing) and on land (more varied). Positive or negative CO2,atm changes are simulated during AMOC minima due to a spatially and temporally varying dominance of individual terrestrial and oceanic drivers (and compensating effects between them) across the different models. In contrast, AMOC recoveries are often accompanied by rising CO2,atm levels, which are mostly driven by ocean carbon release (albeit from different regions). The magnitude of simulated CO2,atm rise broadly scales with the duration of the AMOC perturbation (i.e., the stadial length). When freshwater is added to the Southern Ocean, reduced deep-ocean ventilation drives a CO2,atm drop via reduced carbon release from the Southern Ocean. Although the impacts of shifted southern-hemisphere westerlies are inconsistent across model simulations, their intensification raises CO2,atm via enhanced Southern Ocean Ekman pumping. Increased supply of aeolian dust to the ocean, and thus iron fertilisation of marine productivity, consistently lowers modelled CO2,atm concentrations via more efficient nutrient utilisation. The magnitude of CO2,atm change in response to dust flux variations, however, largely depends on the complexity of models' marine ecosystem and iron cycle. This especially applies to simulations forced by Antarctic sea ice changes, in which the direction of simulated CO2,atm change varies greatly across model hierarchies. Our compilation highlights that no single (forcing) mechanism can explain observed past millennial-scale CO2,atm variability, and identifies important future needs in coupled carbon cycle-climate modelling to better understand the mechanisms governing CO2,atm changes in the past.Graphical abstractDownload : Download high-res image (462KB)Download : Download full-size image
مکانیزم‌های تغییر اتمسفر در مقیاس هزارساله در شبیه‌سازی‌های مدل عددی
نکات برجسته: مقایسه تغییر CO۲ اتمسفری مدلسازی شده در ۷۷۸ شبیه‌سازی مدل عددی.
توافق کلی در مورد علامت تغییر CO۲ مدلسازی شده برای انواع مختلف اعمال نیرو.
* تفاوت‌های بین مدل‌ها در مکانیسم‌های محرک تغییر CO۲ برای یک نیروی معین.
تفاوت‌های موجود در ساختار مدل و پارامترهای اجباری بر دامنه CO۲ مدلسازی شده تاثیر می‌گذارند.
مدل‌های عددی ابزارهای مهمی برای درک فرآیندها و بازخوردهای سیستم زمین هستند، از جمله آن‌هایی که شامل تغییرات در غلظت دی‌اکسید کربن (CO۲، خودپردازها)می‌شوند.
در اینجا، ما ۵۵ مطالعه مدل منتشر شده (متشکل از ۷۷۸ شبیه‌سازی فردی)را گردآوری کردیم که تاثیر شش مکانیزم اجباری در مقیاس هزار ساله CO۲، تغییرات اتمسفر: تغییرات در تامین آب شیرین برای اقیانوس اطلس شمالی و جنوبی، قدرت و موقعیت غرفه‌های نیم‌کره جنوبی، وسعت یخ‌های دریای قطب جنوب، و شاره‌ای گرد و غبار بادی را ارزیابی می‌کنند.
ما به طور کلی بر روی جهت CO۲ شبیه‌سازی شده، تغییرات خودتنظیم در طول شبیه‌سازی‌ها توافق پیدا می‌کنیم، اما دامنه تغییر در درجه اول به دلیل پیچیدگی‌های مختلف نمایش مدل فرآیندهای سیستم زمین ناسازگار است.
هنگامی که آب شیرین به اقیانوس اطلس شمالی اضافه می‌شود، گردش معکوس دریایی کاهش‌یافته اقیانوس اطلس (AMOC)به طور کلی با افزایش در واژگونی اقیانوس جنوبی و اقیانوس آرام، کاهش میزان یخ‌های دریای قطب جنوب، تغییر تولید صادرات فضایی، و تغییرات در ذخیره‌سازی کربن در اقیانوس اطلس (در حال افزایش)، در دیگر حوضه‌های اقیانوس (به طور کلی در حال کاهش)و در زمین (با تنوع بیشتر)همراه است.
تغییرات اتمسفر مثبت یا منفی در طول AMOC به دلیل غلبه متغیر فضایی و زمانی تک‌تک محرک‌های زمینی و اقیانوسی (و اثرات جبرانی بین آن‌ها)در مدل‌های مختلف شبیه‌سازی می‌شوند.
در مقابل، بازیابی AMOC اغلب با افزایش CO۲، سطوح خودتنظیم همراه است که عمدتا توسط انتشار کربن اقیانوس هدایت می‌شود (البته از مناطق مختلف).
اندازه CO۲ شبیه‌سازی شده، به طور گسترده با مدت‌زمان اختلال AMOC افزایش می‌یابد (یعنی طول مورد مطالعه).
وقتی آب تازه به اقیانوس جنوبی اضافه می‌شود، تهویه اعماق اقیانوس دی‌اکسید کربن را تحریک می‌کند، اتمسفر از طریق کاهش انتشار کربن از اقیانوس جنوبی افت می‌کند.
اگرچه تاثیرات غرفه‌های تغییر یافته نیم‌کره جنوبی در سراسر شبیه‌سازی‌های مدل ناسازگار هستند، تشدید آن‌ها دی‌اکسید کربن را افزایش می‌دهد، خودپردازها از طریق پمپاژ اکمن اقیانوس جنوبی بهبود می‌یابند.
افزایش عرضه گرد و غبار بادی به اقیانوس، و در نتیجه باروری آهن بهره‌وری دریایی، به طور مداوم CO۲ مدلسازی شده، غلظت اتمسفر را از طریق استفاده موثرتر از مواد مغذی، کاهش می‌دهد.
اما مقدار CO۲ و اتمسفر در پاسخ به تغییرات شار گرد و غبار تغییر می‌کند که تا حد زیادی به پیچیدگی اکوسیستم دریایی مدل‌ها و چرخه آهن بستگی دارد.
این امر به ویژه در مورد شبیه‌سازی‌های اجباری توسط یخ‌های دریای قطب جنوب اعمال می‌شود، که در آن جهت شبیه‌سازی CO۲، تغییر خودپردازها تا حد زیادی در سلسله‌مراتب مدل تغییر می‌کند.
مجموعه ما نشان می‌دهد که هیچ مکانیزم منفرد (اجباری)نمی‌تواند CO۲ مشاهده‌شده در مقیاس هزاره گذشته، تغییرپذیری خودپردازها را توضیح دهد و نیازهای مهم آینده در چرخه کربن - آب و هوا را برای درک بهتر مکانیسم‌های حاکم بر تغییرات CO۲، تغییرات خودپردازها در خمیر شناسایی کند.
ترجمه شده با 
ترجمه کنید