Sedan den industriella revolutionens tillkomst i början av 1800-talet, ökningar av utsläppen av växthusgaser anses av forskare ha ständigt drivit ökningen av den globala genomsnittliga yttemperaturen, känd som global uppvärmning. Detta fenomen förväntas påverka människor genom höjning av havsnivån och täta värmeböljor, bland andra negativa effekter. Klimatsystemets höga komplexitet, dock, har gjort det svårt för forskare att exakt förutsäga omfattningen av den globala uppvärmningen i framtiden och svårighetsgraden av dess effekter. Främst bland frågorna är att det komplexa samspelet mellan de många komponenterna i klimatsystemet förstärker eller undertrycker den uppvärmning som utlöses av ökningen av växthusgaser och att reda ut dessa samband och deras betydelse för den globala uppvärmningen är svårt. En ny studie medförfattare av Xiaoming Hu, Ming Cai, Song Yang, och Sergio Sejas publicerade i Science China Earth Sciences ger nya insikter om hur dessa interaktioner förstärker den globala uppvärmningen.

"Processer av positiv klimatåterkoppling, såsom ökningar av vattenånga i atmosfären och smältning av is/snö på ytan, är ansvariga för den förstärkta uppvärmningen, " sa Xiaoming Hu Ph.D., en biträdande forskare vid School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, i Guangzhou, Kina och tidningens huvudförfattare. "Dock, förändringarna i lufttemperaturen har traditionellt sett kategoriserats som en negativ klimatåterkopplingsprocess eftersom varmare luft verkar för att öka den termiska strålningen som går ut i rymden. Den senaste utvecklingen av ytbaserade analysverktyg för klimatåterkoppling tillåter en ny titt på lufttemperaturens roll för att reglera yttemperaturens svar på klimatpåverkan."

Forskare har länge vetat att atmosfären är genomskinlig för synligt ljus, som tillåter ytan att absorbera det mesta av solenergin som är tillgänglig för jord-atmosfärsystemet; å andra sidan, dock, den absorberar det mesta av den termiska energin som släpps ut av ytan på grund av dess "växthusgaskomponenter", inklusive vattenånga, koldioxid, moln, och metan som värmer atmosfären. I gengäld, atmosfären avger termisk energi tillbaka till ytan, ger ytterligare energi till ytan, behålla sin värme. Detta är växthuseffekten. Författarna till denna studie visar att sådan termisk-strålning koppling mellan atmosfären och ytan, som de refererar till som luftens "temperaturåterkoppling, " agerar för att förstärka ytuppvärmningen som svar på en extern kraft, på samma sätt som den håller den genomsnittliga yttemperaturen cirka 30 °C varmare än den som bestäms genom att enbart beräkna solenergitillförseln till ytan.

I den här studien, författarna lade fram återkopplingskärnan för lufttemperatur för att mäta temperaturåterkopplingens förmåga att förstärka ytuppvärmningen. De använde observationer från ERA-interim-reanalysen för att avslöja det rumsliga mönstret för lufttemperaturåterkopplingskärnan och relatera styrkan hos lufttemperaturåterkoppling till de klimatologiska rumsliga fördelningarna av lufttemperatur, innehåll av vattenånga och moln. "Ett sådant starkt beroende av förmågan hos temperaturåterkopplingen för att förstärka ytuppvärmningen på det klimatologiska medeltillståndet är kanske en av grundorsakerna till ett stort antal globala uppvärmningsprojektioner under samma antropogena forcering av olika klimatmodeller eftersom dessa modeller ofta tenderar att har sina egna klimatologiska medeltillstånd, sa Xiaoming Hu.

Forskarna avslöjar också att ökningar av koldioxid och vattenånga i atmosfären främst värmer ytan genom lufttemperaturåterkopplingen. De finner att lufttemperaturåterkoppling förstärker uppvärmningen på grund av den direkta strålningseffekten som orsakas av ökningen av koldioxid i atmosfären med en faktor 3-4. Det förstärker också ytuppvärmningen på grund av ökningen av luftfuktigheten från perioden 1984-1995 till 2002-2013. Viktigast, de finner att den termisk-strålande kopplingen mellan atmosfären och ytan förstärker signalen om oceaniskt värmeupptag, lägga till 2,5 W/m2 till ytan utöver 1,75 W/m2 på grund av en minskning av oceaniskt värmeupptag mellan dessa två perioder.

Författarna konstaterar vidare att en implikation av studien är att förstärkningen av uppvärmningssignalerna för dessa processer genom temperaturåterkopplingen indikerar att uppvärmningsosäkerheter relaterade till osäkerheten i dessa processer också kan förstärkas. "Till exempel, osäkerheten i vattenångans ökning innebär osäkerhet i dess uppvärmningssignal, och denna osäkerhet förstärks sedan av temperaturåterkopplingen. Den globala uppvärmningsosäkerheten i klimatmodellprojektioner och -observationer är därför sannolikt kopplad till temperaturåterkopplingen. Att minska osäkerheten om den globala uppvärmningen är en mer oupplöslig uppgift, sa Sergio Sejas, en av de fyra författarna till denna studie.

Övergripande, denna observationsbaserade studie bekräftar resultaten av en nyligen genomförd klimatmodellbaserad analys som visar att "temperaturåterkopplingen är ansvarig för det mesta av ytuppvärmningen globalt, står för nästan 76 procent av den globala genomsnittliga ytuppvärmningen."