El Niño-Southern Oscillation (ENSO) και CO2
Από RemoteSensing Wiki
Τα αντισταθμιστικά αποτελέσματα κρύβουν μεγάλες αβεβαιότητες μοντελοποιημένων διαδικασιών πίσω από τη σχέση μεταξύ των El Niño-Southern Oscillation (ENSO) και CO2
Πρωτότυπος τίτλος: Compensatory effects conceal large uncertainties in the modelled processes behind the relationship between the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) and CO2
Συγγραφείς: István Dunkl, Ana Bastos, and Tatiana Ilyina
Πηγή: https://doi.org/10.5281/zenodo.14070579
Πίνακας περιεχομένων |
1. Εισαγωγή
Η σχέση μεταξύ του φαινομένου El Niño–Southern Oscillation (ENSO) και των παρατηρήσεων της ατμοσφαιρικής συγκέντρωσης CO2 στο Μαούνα Λόα αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1976. Οι αλλαγές στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία κατά τη διάρκεια των γεγονότων Ελ Νίνιο προκαλούν θερμές και ξηρές συνθήκες στις τροπικές περιοχές, μειώνοντας την καθαρή παραγωγή των βιοτόπων (NBP). Το ENSO επηρεάζει την παγκόσμια ακαθάριστη πρωτογενή παραγωγικότητα (GPP) σε ένα σημαντικό ποσοστό, ενώ μπορεί να μετατρέψει περιοχές όπως τη λεκάνη του Αμαζονίου, από απορροφητή CO2 σε πηγή. Παράλληλα, το ENSO έχει σημαντική επιρροή στην προγνωσιμότητα των κλιματικών φαινομένων, με τις διακυμάνσεις του καρβονικού ρεύματος να υστερούν κατά 3-6 μήνες σε σχέση με το ENSO. Η σωστή αναπαράσταση των διαδικασιών που συνδέουν το ENSO με το NBP είναι κρίσιμη για τις προσομοιώσεις μοντέλων του συστήματος Γης. Υπάρχουν τρεις κύριες διαδικασίες που καθορίζουν αυτή τη σχέση: η ένταση των γεγονότων ENSO, οι κλιματικές ανωμαλίες που προκαλούνται από το ENSO και η βιοχημεία. Οι διαφορές στις ευαισθησίες των καρβονικών ροών σε τοπικές κλιματικές ανωμαλίες προκαλούν αβεβαιότητες στην εκτίμηση της σχέσης ENSO–NBP, οι οποίες επηρεάζονται από το είδος του οικοσυστήματος και το κλίμα. Στόχος της μελέτης είναι να εντοπίσει και να ποσοτικοποιήσει αυτές τις αβεβαιότητες, εξετάζοντας τις διαδικασίες που επηρεάζουν τη σχέση ENSO–NBP και συγκρίνοντας τα αποτελέσματα μοντέλων με παρατηρήσεις.
2. Μεθοδολογία
Η μελέτη αναλύει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του φαινομένου Ελ Νίνιο (ENSO), της θερμοκρασίας, των βροχοπτώσεων και της καθαρής παραγωγής βιοτόπων (NBP) σε 22 μοντέλα του Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) και συγκρίνει τα αποτελέσματα με παρατηρήσεις. Για να έχει τη μεγαλύτερη δυνατή αντιπροσωπευτικότητα των συνθηκών του Ελ Νίνιο, χρησιμοποιούνται προσομοιώσεις χωρίς εξαναγκασμό (piControl). Τα μοντέλα αναλύονται για να αποσυνθέσουν τις ανωμαλίες του NBP σε τρία βασικά συστατικά: την καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα (NPP), την αναπνευστική δραστηριότητα των οργανισμών (Rh) και τις πυρκαγιές. Οι εκπομπές από πυρκαγιές υπολογίζονται μόνο για 13 από τα μοντέλα. Οι ροές άνθρακα από τα μοντέλα συγκρίνονται με δύο παρατηρήσεις: δεδομένα από την Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) και μετρήσεις από πύργους ροής (FLUXCOM). Για την ανάλυση των κλιματικών συνθηκών, χρησιμοποιούνται δεδομένα επαναληπτικών αναλύσεων από διάφορους ερευνητικούς οργανισμούς. Η μελέτη υπολογίζει τις ετήσιες ανωμαλίες των SST του Niño3.4, θερμοκρασίας, βροχοπτώσεων και ροών άνθρακα. Οι εκτιμήσεις της σχέσης ENSO–NBP ποσοτικοποιούνται με τη χρήση γραμμικών μοντέλων παλινδρόμησης και προσομοιώνονται για τα ισχυρότερα σημεία της σχέσης αυτής σε διάφορες περιοχές του πλανήτη. Η ανάλυση αποσκοπεί στην ποσοτικοποίηση των τριών βασικών παραμέτρων που καθορίζουν τη σχέση ENSO–NBP: την ένταση του ENSO, τις κλιματικές ανωμαλίες που προκαλούνται από το ENSO και τη βιοχημεία των οικοσυστημάτων. Οι συνεισφορές αυτών των παραμέτρων στην αβεβαιότητα της σχέσης ENSO–NBP μετρώνται μέσω του συντελεστή μεταβλητότητας (CV), που δείχνει τη διάσπαση των αποτελεσμάτων μεταξύ των μοντέλων.
3. Αποτελέσματα
Η μελέτη αυτή αναλύει τις ανωμαλίες του NBP (καθαρό οικοσυστήματα ανταλλαγής άνθρακα) για τα πρότυπα ENSO-90, με τις ανωμαλίες να κυμαίνονται από -0.15 έως -2.13 Pg C ανά έτος και με έναν συντελεστή μεταβλητότητας (CV) 48%, που θεωρείται η αναφορά για την αβεβαιότητα στη σχέση ENSO–NBP. Η μέση ανωμαλία του NBP στα ESMs για το ENSO-90 είναι -0.88 Pg C ανά έτος, η οποία είναι ενδιάμεση μεταξύ των παρατηρήσεων CAMS και TRENDY, ενώ οι παρατηρήσεις από το FLUXCOM τείνουν να υποεκτιμούν τις διακυμάνσεις του άνθρακα.
Η έρευνα εντοπίζει σημαντικές διαφωνίες όσον αφορά τη συνεισφορά των διάφορων περιοχών στις ανωμαλίες του παγκόσμιου NBP. Ιδιαίτερα η περιοχή της Νοτιοανατολικής Ασίας (SEA) και της βόρειας Νότιας Αμερικής (NSA) συμβάλλουν κατά 48% στο συνολικό NBP. Ωστόσο, η συνεισφορά τους διαφέρει σημαντικά μεταξύ των ESMs, με την SEA να έχει είτε θετικές είτε αρνητικές ανωμαλίες ανάλογα με το μοντέλο.
Όσον αφορά την ένταση του ENSO, αυτή ποικίλλει από 0.35 °C (INM-CM5-0) έως 1.39 °C (CMCC-ESM2), ενώ η μέση τιμή του ENSO στα ESMs είναι 0.86 °C, ελαφρώς υψηλότερη από αυτή της ανασκόπησης HadISST (0.76 °C). Αν και οι διαφορές στην ένταση του ENSO είναι ευρείες, η σχέση αυτή εξισορροπείται με την ευαισθησία του NBP στον ENSO, με τα μοντέλα που προβλέπουν ισχυρό ENSO να έχουν μικρότερη ευαισθησία του NBP στις θερμοκρασίες του ENSO.
Η ανάλυση διαχωρίζει τη συμβολή διαφορετικών παραμέτρων στην αβεβαιότητα της σχέσης ENSO–NBP, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι η βιοχημεία (η οποία περιλαμβάνει την παραγωγή καθαρής φυτοαναπνοής, τη φυτική αναπνοή και τις εκπομπές φωτιάς) αποτελεί την κύρια πηγή αβεβαιότητας, με έναν CV 56%. Η εκτίμηση αυτή υπογραμμίζει τη σημασία της βιοχημικής διαδικασίας στην πρόβλεψη του NBP κατά τη διάρκεια του ENSO.
Επιπλέον, η μελέτη αναλύει πώς οι ανωμαλίες στις κλιματικές συνθήκες (θερμοκρασία και βροχοπτώσεις) επηρεάζουν τις ανωμαλίες του NBP, με μεγαλύτερη αβεβαιότητα να παρατηρείται σε περιοχές όπως η Κεντρική και Βόρεια Αυστραλία και η Νότια Αμερική. Οι ανωμαλίες της βροχής και της θερμοκρασίας επηρεάζουν σημαντικά τις εκτιμήσεις του NBP, και η ισχυρότερη αβεβαιότητα αφορά τις περιοχές SEA και NSA.
Τέλος, η έρευνα επισημαίνει ότι οι διαφορές στη βιοχημεία (όπως η απορρόφηση CO2 και η αναπνοή των φυτών) έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στις διακυμάνσεις του NBP κατά τη διάρκεια των ENSO-90 γεγονότων. Οι διαφορές στην αναπνοή (Rh) και στην εκπομπή φωτιάς έχουν μεγαλύτερη επίδραση σε μερικά ESMs, όπως το GFDL-ESM4, προκαλώντας μεγαλύτερες ανωμαλίες του NBP σε σύγκριση με τα υπόλοιπα μοντέλα.
Αυτό δείχνει ότι η πλήρης κατανόηση της σχέσης ENSO–NBP απαιτεί τη μελέτη όλων των παραμέτρων του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων των κλιματικών και βιοχημικών διεργασιών, προκειμένου να κατανοηθούν πλήρως οι αιτίες πίσω από τις ανωμαλίες του NBP σε περιοχές όπως η Νοτιοανατολική Ασία και η Νότια Αμερική.
4. Συζήτηση
Η μελέτη συγκρίνει τη σχέση μεταξύ του ENSO (El Niño-Southern Oscillation) και του NBP (Net Biome Productivity) σε 22 μοντέλα CMIP6 ESMs (Earth System Models). Η μεγαλύτερη πηγή αβεβαιότητας στη σχέση ENSO–NBP προέρχεται από τις διαφορές στη βιοχημεία. Παρά τις μεγάλες περιοχές αβεβαιότητας στις κλιματικές ανωμαλίες του ENSO, αυτές οι διαφορές εξισώνονται παγκόσμια.
Η ευαισθησία του NBP στις αλλαγές θερμοκρασίας στη ζώνη Niño3.4 εξακολουθεί να είναι περιορισμένη, με τις τιμές να κυμαίνονται από −0.13 έως −2.00 Pg C °C−1. Αυτή η αρνητική σχέση μπορεί να οφείλεται σε μια παρανόηση κατά τη ρύθμιση των μοντέλων, αν και δεν υπάρχουν άμεσες αποδείξεις ότι η κλιματική ευαισθησία του εδαφικού κύκλου άνθρακα ρυθμίζεται απευθείας στο ENSO.
Οι διαφορές στις διαδρομές ENSO–NBP οδηγούν σε υψηλή αβεβαιότητα ως προς τις διαδικασίες πίσω από τη σχέση ENSO–NBP. Παρά το γεγονός ότι οι ESMs εμφανίζουν παρόμοιες σχέσεις μεταξύ ENSO και παγκόσμιου NBP, κάθε γεγονός ENSO μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικές ανωμαλίες NBP, όπως φαίνεται από τις διαφορές μεταξύ των μοντέλων ACCESS-ESM1-5 και NorCPM1.
Η κύρια πρόκληση στη βελτίωση της αναπαράστασης αυτής της σχέσης είναι η διόρθωση των σφαλμάτων στη βιοχημεία, καθώς και η αβεβαιότητα που προκύπτει από την κατανομή του NBP. Επιπλέον, η αβεβαιότητα στις κλιματικές ανωμαλίες του ENSO, ειδικά σε περιοχές όπως η Νοτιοανατολική Ασία και η Βόρεια Σαχάρα, παραμένει μεγάλη. Οι διαφορές στις παρατηρήσεις του NBP σε δεδομένα FLUXCOM σχετίζονται με τη χαμηλή διακύμανση του NBP, αλλά τα δεδομένα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτιμηθεί η συμβολή κάθε περιοχής στον παγκόσμιο σήμα ENSO–NBP.
Η αβεβαιότητα στις εκτιμήσεις των εκπομπών άνθρακα είναι επίσης σημαντική, κυρίως λόγω των διακυμάνσεων που προέρχονται από τα μοντέλα ESMs, σε σχέση με τις μικρότερες διαφορές μεταξύ των προϊόντων αναστροφής (inversion) που βασίζονται σε δεδομένα παρατήρησης.
5. Συμπεράσματα
Αν και τα μοντέλα ESMs μπορούν να αναπαραστήσουν τη σχέση μεταξύ των SSTAs του ENSO και του CO2, υπάρχει μικρή συμφωνία ως προς τις διαδικασίες που κρύβονται πίσω από αυτή τη σχέση. Ενώ κάποια μοντέλα και ο μέσος όρος των μοντέλων αναπαριστούν καλά τις διαδρομές ENSO–NBP, άλλα μοντέλα αποκλίνουν σημαντικά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι αβεβαιότητες σε περιφερειακό επίπεδο εξισώνονται όταν οι ροές συγκεντρώνονται παγκόσμια. Επομένως, η σωστή αναπαραγωγή της μεταβλητότητας του CO2 στην ατμόσφαιρα σε εκτελέσεις προσαρμογής που επηρεάζονται από τα SSTAs δεν σημαίνει απαραίτητα καλή αναπαράσταση των κυκλικών προτύπων και της βιοχημείας της ατμόσφαιρας. Αυτή η υψηλή αβεβαιότητα στη σχέση ENSO–NBP αποδίδεται στην περιορισμένη κατανόηση της ευαισθησίας των εδαφικών ροών άνθρακα στο κλίμα.
Αυτή η πρόκληση οφείλεται στην έλλειψη και τη χαμηλή ποιότητα των παρατηρήσεων των ροών άνθρακα, κάτι που περιορίζει την ικανότητα των μοντέλων ESM να αναπαράγουν τη διακύμανση του εδαφικού κύκλου άνθρακα σε ετήσια βάση. Ωστόσο, η σχέση ENSO–NBP προσφέρει αναξιοποίητο δυναμικό. Αντί να ρυθμίζονται τα μοντέλα ESM με τοπικές παρατηρήσεις δεδομένων ροών άνθρακα, τα μοντέλα θα μπορούσαν να βελτιστοποιηθούν για να αναπαράγουν τα πρότυπα του ENSO σε παγκόσμιο επίπεδο. Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να είναι πιο ευνοϊκή λόγω της διαθεσιμότητας δεδομένων υψηλής ακρίβειας από τις μετρήσεις CO2 στην ατμόσφαιρα και τις ανωμαλίες των ροών άνθρακα από τα προϊόντα αναστροφής. Η βελτίωση της αναπαράστασης της περιφερειακής αντίδρασης των εδαφικών ροών άνθρακα στις ανωμαλίες του ENSO αποτελεί στόχο που μπορεί να οδηγήσει σε μοντέλα ESM με καλύτερη ικανότητα προσομοίωσης της ετήσιας μεταβλητότητας των παγκόσμιων ροών άνθρακα και βελτιωμένη προβλεπτικότητα του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα.
