Climate Stability of Habitable Earth-like Planets
碳-硅酸盐循环通过$CO_2$火山释气速率和岩石风化的行星摄入速率之间的平衡，调节地质时标上类地行星大气中$CO_2$含量。它被认为是地球上的一个有效的气候恒温器，并延伸到其他可居住的行星。然而，如果风化率随着大气中$CO_2$含量的增加而增加，正如在缺乏陆地维管植物的行星上所预期的那样，碳硅酸盐循环反馈可能会受到严重限制。在这里，我们表明，类地行星接收的阳光比现在的地球少，可能不再拥有稳定的温暖气候，而是在不稳定的冰川和冰川消退的气候状态之间反复循环。这对在附近恒星的宜居带中寻找系外行星上的生命具有启示意义。
2014-11-20 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Solar dynamo as host power pacemaker of the Earth global climate
众所周知，所谓的太阳能起搏器问题与太阳对基本地球物理过程的能量影响的某些隐藏但关键的机制有关，是现代气候学的主要和令人困惑的问题之一。这一机制的“轨迹”长期以来在日地物理学的各种问题中表现出来，特别是在气候学中，太阳-气候变率被稳定地观测到。然而，在太阳活动周期中，太阳能量（太阳辐照度或日射量）的微小变化能够引起天气和气候变化的机制仍然是未知的。我们分析了太阳气候变化的可能原因，集中一个人的注意力在太阳速跃层的磁通量的时间变化和地球磁场（Y分量）之间的强相关性的物理证实。我们提出了一个有效的太阳发电机-地球发电机连接机制，它扮演着太阳能起搏器的角色，地球全球气候。
2011-07-13 astro-ph.EP physics.geo-ph
Statistical physics approaches to the complex Earth system
全球气候变化、极端气候事件、地震及其伴随的自然灾害对人类构成重大风险。然而，由于地球系统的非线性反馈，战略相互作用和复杂结构，理解，特别是预测这种破坏性事件对科学界和政策界都是巨大的挑战。在过去的几年里，地球系统科学的出现和演变引起了人们的广泛关注，并产生了新的概念和框架。特别是，新的统计物理学和复杂的网络为基础的技术已经开发和实施，以大大提高我们的知识，更好地了解地球系统，包括气候极端事件，地震和地球的几何地形特征，从而大大提高预测性能。我们在这里提出了一个全面的审查，最近的科学进展的发展和应用相结合的统计物理学和复杂系统科学的方法，如临界现象，网络理论，渗透，临界点分析，以及熵可以应用于复杂的地球系统（气候，地震等）。值得注意的是，这些综合工具和方法为理解地球系统的动态提供了新的见解和视角。这篇评论的总体目标是为读者提供关于统计物理方法如何在地球系统科学领域有用的知识。
2020-09-05 cond-mat.stat-mech physics.data-an physics.geo-ph
QESM: A Leap Towards Quantum-Enhanced ML Emulation Framework for Earth and Climate Modeling
针对计算约束导致气候模型分辨率和准确性不足的问题，本文提出QESM框架，用QCNN、QMLP和QED替代经典ML模型，并基于ClimSim通过元集成融合，显著提升气候模拟与预测精度。
2024-10-02 physics.ao-ph physics.data-an physics.geo-ph
Toward Foundation Models for Earth Monitoring: Proposal for a Climate Change Benchmark
Element AI；Service Now（ServiceNow）；Stanford University（斯坦福大学）；University of Maryland（马里兰大学）；Radiant Earth Foundation；MIT（麻省理工学院）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
自我监督的最新进展表明，在大量无监督数据上预训练大型神经网络可以导致下游任务的泛化能力显著提高。这种模型，最近被创造为基础模型，已经转变到自然语言处理领域。虽然类似的模型也在大型图像语料库上进行了训练，但它们并不适合遥感数据。为了促进地球监测基础模型的发展，我们建议制定一个新的基准，包括与气候变化有关的各种下游任务。我们相信，这可以大大改善许多现有的应用程序，并促进新的应用程序的开发。该提案还呼吁开展合作，以制定更好的评价程序，减轻地球监测基础模型的潜在不利因素。
2021-12-01 cs.LG physics.geo-ph
Climate of Earth-like planets with high obliquity and eccentric orbits: implications for habitability conditions
我们探索的季节性变化的影响，为类地行星的气候所确定的两个参数的极地和轨道偏心率使用一个通用的环流模型的中间复杂性。在本文的第一部分中，我们研究了辐射和地面温度的时空模式以及大气环流的主要特征的不同的垂直度和离心率值的后果。在第二部分中，我们分析了相关的影响，行星的可居住性接近外缘的宜居带（HZ）。本文的这一部分特别着重于气候的多稳定性，即无冰和有冰气候状态的平行存在。我们的研究结果表明，季节变化影响两种气候状态的存在和过渡。此外，我们的实验表明，具有类似地球的大气层和高季节变化的行星可以在距离主星更大的距离上拥有无冰区域，而不是没有季节变化的行星，这导致了HZ外缘的大幅扩张。探索方位角折射率和表面热容的作用的敏感性实验测试我们的结果的鲁棒性。在圆形轨道上，我们的研究结果与大气环流模型同意以及以前的研究的基础上的一维能量平衡模型，而显着差异被发现在偏心轨道。
2014-10-09 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
Randomness and Earth climate variability
包括古气候学和古生态学在内的古科学积累了大量与气候变化有关的记录。研究人员通常试图在这些古科学记录中识别周期和准周期过程。在本文中，我们表明，这种分析是不完整的。从我们的结果可以看出，随机过程，即具有单一时间常数的过程（具有洛伦兹噪声谱的噪声），在许多自然现象中起着非常重要的作用，也许是决定性的作用。对于一些非常重要的自然现象，其特征时间常数非常相似，等于（5-8）× 10 ^3年。然而，这种价值观并不具有普遍性。例如，大气放射性碳14 C的谱密度波动的特征在于具有时间常数300年的洛伦兹。海底18 O记录的谱密度起伏的频率依赖性包含两个时间常数为8000年和> 105年的洛伦兹周期。
2015-02-16 physics.geo-ph
Climate sensitivity of Earth to solar irradiance: update
本文是Douglass和Clader的一项研究的继续。我们延长到2003年12月的分析，除了一个新的火山代理数据集的观测温度和太阳辐照度数据集的最新更新。我们重新确定了太阳对温度的影响，从卫星测量的太阳辐照度和对流层低层温度对太阳辐照度的敏感性。这种再分析计算两个新认识的动态和非辐射通量因子，必须适用于所观察到的灵敏度。灵敏度是预期的两倍，从无反馈Stefan-Boltzmann辐射平衡模型，这意味着正反馈。火山强迫的敏感性也被确定。初步结果表明，负反馈存在于这种情况下。一年的分数的响应时间被发现为太阳和火山强迫。我们注意到，气候模型通常假设松弛时间为5至10年，我们对这种巨大差异的后果发表评论。我们还确定了数据中的线性趋势。
2004-10-30 physics.geo-ph
On the tilt of the Earth's polar axis (climat): Some 'impressionist' remarks
本文基于百年定义与观测，以印象派式图景讨论气候各物理参数的稳定性，并提出地面温度可能只是气候的结果而非独立参数。
2023-12-04 physics.geo-ph
Removing Atmospheric Carbon Dioxide Using Large Land Or Ocean Areas Will Change Earth Albedo And Force Climate
本研究发现增强岩石风化和海洋二氧化碳去除这两种碳移除手段引发的地表反照率改变，其辐射强迫效应在数十年内易超过碳减排本身的气候效应，指出了相关气候影响问题。
2025-01-15 physics.ao-ph physics.geo-ph physics.soc-ph
Self-organization of the Earths climate system versus Milankovitch-Berger astronomical cycles
将南极晚更新世温度变化曲线分解为周期性和高频随机性两个分量。对于这些组件中的每一个，数学模型的开发表明，周期性和随机的温度变化是不同的，但相互关联的，具有自己的自组织过程。为了对循环分量进行建模，编写了一个常微分方程系统，该系统表示具有恒定周期的自振荡、自组织过程。它也表明，这些方程可以用来模拟更现实的温度变化与变化的周期长度。对于随机分量，计算多重分形谱并与临界正弦圆映射的多重分形谱进行比较。物理解释相关的数学模型和讨论未来气候发展的背景下，这项工作。
2014-07-11 physics.ao-ph physics.geo-ph
Climate and ocean circulation changes toward a modern snowball Earth
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋地球科学技术局）；Earth-Life Science Institute (ELSI), Institute of Future Science, Institute of Science Tokyo（东京科学大学未来科学研究所生命起源研究所）；Atmosphere and Ocean Research Institute, The University of Tokyo（东京大学大气海洋研究所）；University of the Ryukyus（冲绳大学）；Department of Geophysics, Graduate School of Science, Tohoku University（东北大学理学研究科地球物理学科）；National Institute of Polar Research（国立极地研究所）；The Graduate University for Advanced Studies, SOKENDAI（综合研究大学院大学）
研究通过气候模型探讨现代雪球地球形成过程中海洋环流的变化及演变，揭示了海冰增长和盐度分层对环流的影响。
2026-03-17 astro-ph.EP physics.ao-ph physics.geo-ph
The role of cosmic rays in the Earths atmospheric processes
本文综述了宇宙射线对地球电特性、地球电路、闪电、云的形成、云的覆盖、大气温度、空间天气现象、气候等地球过程的影响，提出了宇宙射线控制气候的短期和长期变化的观点。有许多基本现象需要进一步研究，需要新的长期数据集。其中一些已经被指出。
2009-08-28 physics.ao-ph physics.geo-ph
Thermodynamic Analysis of Snowball Earth Hysteresis Experiment: Efficiency, Entropy Production, and Irreversibility
我们提出了一个广泛的热力学分析的滞后实验上进行了简化，但类似地球的气候模式。我们慢慢地改变太阳常数的20%左右的当前值，并检测到大量的双稳态：对于一个大范围的值，实现雪球（SB）或温暖（W）的气候条件取决于系统的历史。利用全球气候热力学的最新结果，我们表明，这两个制度的功能根本不同的属性。在W气候条件下，气候机的效率随着太阳常数的减小而增加，而在SB气候条件下则相反。相反，熵产生在两个分支的气候条件下都随着太阳常数的增加而增加，其值在W分支中大约是对应的C状态中的4倍。最后，在W条件下，系统的不可逆性程度要高得多，在所考虑的太阳常数值的上限范围内爆炸性增长。而在SB制度中的主导作用是发挥变化的纬向水汽对比度，在W气候制度的变化，潜热通量的强度是至关重要的，以确定所观察到的属性。这证明了正确处理气候变化中水文循环变化的重要性。根据宏观尺度的热力学性质，还提出了一个解释的过渡区的边界处。我们的研究结果支持采用新一代的诊断工具的基础上，第二定律的热力学审计气候模式，并概述了一套参数化的概念和中间复杂性模型或重建过去的气候条件。
2009-09-07 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.comp-ph
Sensitive Dependence of Global Climate to Continental Geometry
在数十亿年的历史中，地球经历了各种各样的气候。长期气候受大气中二氧化碳浓度的控制，而二氧化碳浓度又受海洋通过化学风化的固存作用的调节。这种化学风化汇与大陆的分布和组成密切相关。然而，大陆分布的影响从来没有在一个总体框架内进行过研究。在这里，我们表明，全球风化率是敏感的大陆的大小和形状，但在热带地区的土地的数量不能很好地解释。我们构建合成大陆的配置和使用合奏的全球气候模式模拟隔离大陆的风化和碳埋藏的安排的预期效果。径流模式是复杂的，敏感的大陆几何学的详细特征，和大陆纬度预测差。这些结果有助于解释地球气候的长期变化和不规则性。
2022-05-30 physics.ao-ph physics.geo-ph
Teleconnections among Tipping Elements in the Earth System
地球系统的临界元素可能会在临界点突然和不可逆转地从一种状态转移到另一种状态，导致对我们社会的威胁越来越大。然而，目前还不完全清楚如何评估和量化一个引爆因素的影响，以及如何探索不同引爆因素之间的遥相关。为了填补这一知识空白，我们提出了一个气候网络的方法来定量分析一个突出的引爆元素，亚马逊雨林地区（ARA）的全球影响。我们发现，地区，如青藏高原（TP）和南极西部冰盖，其特点是较高的网络加权链接，并表现出较强的相关性与ARA。然后，我们确定了ARA和TP之间的遥相关传播路径。这条路径在CMIP 5和CMIP 6的各种气候模式模拟的气候变化下是稳健的。此外，我们发现在青藏高原积雪覆盖范围的临界转变的预警信号，应用临界减速指标，滞后-1自相关和去趋势波动分析。我们发现，自2008年以来，TP的积雪已经失去了稳定性，这表明TP正在像一个倾翻元件一样运行，并接近一个潜在的倾翻点。我们进一步发现，各种极端的ARA和TP之间的气候变化显着同步。我们的框架提供了新的见解，小费元素是如何相互联系，并进入级联小费动态的潜在可预测性。
2022-09-09 physics.geo-ph physics.soc-ph
Assessing the climate benefits of afforestation: processes, methods, and frameworks
该研究聚焦加拿大北方寒带针叶林带与南部北极地区，梳理造林气候效益评估的知识缺口与方法局限，提出多维度评估框架，为环北极国家造林政策提供参考。
2024-10-31 physics.ao-ph physics.geo-ph
On the meaning of feedback parameter, transient climate response, and the greenhouse effect: Basic considerations and the discussion of uncertainties
本文讨论了Schneider和Mass的全球平均能量平衡模式中反馈参数、温室效应和瞬态气候响应的含义。在仔细研究了这个模型和相应的行星辐射平衡之后，我们指出：（a）这个全球平均能量平衡模型由于不适当的物理考虑而存在缺陷，（b）在没有大气的情况下，地球的行星辐射平衡充满了均匀地面温度的不适当假设，所谓的辐射平衡温度约为255 K，和（c）辐射人为强迫的影响，被认为是对自然系统的扰动，比Schneider和Mass模型解中涉及的不确定性小得多。这种不确定性主要与不同作者提出的用于预测地球表面红外辐射发射的经验常数有关。此外，在Schneider和Mass的模式中加入大气成分对太阳辐射的吸收和地球与大气之间的显热和潜热交换后，地面温度明显低于辐射平衡温度。此外，无论是Schneider和Mass的模型，还是Dines型的地球-大气系统双层能量平衡模型，都包含了在没有大气层的情况下地球的行星辐射平衡作为渐近解，如果使用现实的经验数据，都不能提供所谓的大气温室效应存在的证据。
2010-02-04 physics.ao-ph physics.geo-ph
Detangling the role of climate in vegetation productivity with an explainable convolutional neural network
本文提出利用V-Net架构结合气候变量预测叶面积指数，以理解植被生产力动态，初步结果符合LAI产品质量标准，并为后续预测归因研究奠定基础。
2023-10-28 physics.ao-ph physics.geo-ph
Another Look at Climate Sensitivity
我们重新审视最近声称，地球的气候系统的特点是敏感的依赖参数，特别是，该系统表现出不对称的，大幅度的响应正态分布的反馈强迫。这样的反应意味着气候变化预测中不可减少的不确定性，因此对气候科学和与气候有关的政策制定具有显著的影响。我们表明，平衡气候敏感性在所有的一般性不支持这样一个内在的不确定性，后者只出现在基本上线性系统。导致这一说法的分析的主要缺陷是对本质上非线性的模型进行了不适当的线性化;基于这一数学错误，没有物理解释或政策结论的余地。然而，敏感的依赖性确实存在于气候系统中，以及在气候模式-虽然在一个非常不同的意义上声称的线性工作正在审查-我们说明它使用一个经典的能量平衡模型（EBM）与非线性反馈。EBM表现出两个鞍结分叉，最近被称为“临界点”，这引起了三个不同的稳态气候，其中两个是稳定的。此外，这种非平衡行为得到了更现实的非平衡气候模式结果的支持。在一个真正的非线性设置中，只有在临界点附近才能观察到响应大小的不确定性。事实上，我们表明，小的干扰不能导致大幅度的响应，除非系统是在或接近这样一个点。我们简要地讨论了如何分叉的距离可能与地球的冰反馈的强度。
2010-03-01 physics.ao-ph physics.geo-ph
The evolution of a non-autonomous chaotic system under non-periodic forcing: a climate change example
本文以低维类气候非线性系统研究非周期强迫下非自治混沌系统的中期气候行为，提出演化集与收敛时间概念，揭示初始条件不确定性和强迫速率的影响，为气候模型集合设计提供启示。
2023-09-21 math.DS nlin.CD physics.geo-ph
Climate Modelling of Mass-Extinction Events: A Review
尽管人们对这一主题产生了极大的兴趣，并进行了数十年的研究，但地球生命历史上生物多样性重大损失的起源仍然难以捉摸。这些大规模灭绝事件的各种可能原因已被调查，包括小行星或彗星的撞击，大规模火山爆发，板块构造引起的大陆分布变化的影响，以及生物因素，仅举几例。许多这些建议的驱动因素涉及或实际上需要地球气候的变化，然后影响我们星球的生物圈，导致全球生物物种多样性的减少。因此，可以说，详细了解这些气候变化及其对生态系统的影响是解决生物保护之谜的先决条件。除了对大规模喷发时期的古气候数据进行调查外，气候模拟实验应该能够对这些戏剧性的事件提供一些线索。然而，有些令人惊讶的是，对与灭绝事件有关的气候变化进行的全面模拟研究很少。本文将对这些研究进行综述。此外，在一般灭绝研究和建议，为今后的研究建模的作用进行了讨论。
2009-06-18 physics.ao-ph physics.geo-ph
Galactic-bursts signatures in Antarctica 10Be spectra reveal cosmogenesis of climate switching
从东方冰芯原始数据中检测到10 Be沉积速率的3592 ± 57年的非常强的周期，并与泰勒穹和东方冰芯的浓度原始数据进行了验证。数据显示Hallstadzeit太阳周期为2296 ± 57年，LaViolette周期为12500年。采用99%置信度的Gauss Vanicek谱分析，避免了数据的篡改，从而实现了反映银河系边界宇宙线背景条件的数据分离。在分离之后，只有新的周期仍然存在并收敛，因此它是太阳系外和银河系的起源。由于10 Be的主要光谱峰只能用宇宙射线的过度涌入来解释，因此发现的特征表明在单一来源中定期发生爆发。根据最近的天空调查，银河系核心是爆发的最佳候选宿主。先前报道的地磁场磁偏角的3600年周期意味着所发现的相位可以在银河系核心到地球的距离上压倒天文磁场。最近的10 Be最大值的时代估计为1085+-57，与1054到1056年的蟹状超新星的说法一致。下一个最大的10 Be在地球上的预测是在4463+-57年，这意味着地球气候交替由于地球物理或非太阳宇宙强迫。
2009-12-16 astro-ph physics.ao-ph physics.geo-ph
The JASMIN super-data-cluster
正在部署JASMIN超级数据集群，以支持英国和欧洲气候和地球系统建模界的数据分析要求。JASMIN核心资源与空间气候和环境监测设施（CEMS）重要组成部分的物理共址为地球观测界提供了额外的支持，并促进了模型与数据的进一步比较和评价。JASMIN和CEMS共同集中部署了9.3 PB的存储- 4.6 PB的Panasas快速磁盘存储以及STFC Atlas磁带存储。超过370个计算核心提供本地计算。布里斯托尔、利兹和雷丁的远程JASMIN资源提供额外的分布式存储和计算，配置为支持本地工作流，作为使用中央JASMIN系统的垫脚石。JASMIN的快速网络连接为英国超级计算机MONSooN（英国气象局）和HECToR（爱丁堡大学）之间提供了可靠的通信。JASMIN还通过通往荷兰KNMI的光路为欧洲用户提供支持。JASMIN基础设施的功能组件旨在支持和整合三个主要目标的工作流程：（1）STFC环境数据档案中心的数据整理和便利化的有效运作;（2）英国和欧洲气候和地球系统科学界的有效数据分析;（3）气候影响和地球观测界灵活获取复杂数据和相关服务。
2012-04-16 cs.DC physics.comp-ph physics.geo-ph
Fast, Scale-Adaptive, and Uncertainty-Aware Downscaling of Earth System Model Fields with Generative Machine Learning
Technical University Munich（慕尼黑工业大学）；Potsdam Institute for Climate Impact Research（波茨坦气候影响研究所）；Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院大气物理研究所）；University of Exeter（埃克塞特大学）
针对地球系统模型高分辨率模拟计算昂贵且现有降尺度方法需重训、外推差的问题，提出零样本一致性模型，高效生成概率降尺度场，以低计算成本优于扩散模型并泛化至未见气候。
2025-02-26 cs.CV cs.LG physics.ao-ph
Thermodynamics of Climate Change: Generalized Sensitivities
使用最近开发的形式主义，我们提出了一个深入的分析，如何气候系统的热力学随CO2浓度的变化进行实验与一个简化的，但类似地球的气候模式。我们发现，除了全球平均的地面温度外，系统的Lorenz能量循环强度、卡诺效率、熵产生和不可逆度都与CO2浓度的对数成线性关系.这里提出的广义敏感性表明，气候系统变得更低的效率，更不可逆，并具有较高的熵产生，因为它变得更温暖。
2009-09-06 cond-mat.stat-mech physics.ao-ph physics.class-ph
