Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океанаИзвестия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана0002-3515The Russian Academy of Sciences1417510.31857/S0002-351555311-19Research ArticlePhase shift between changes in global temperature and atmospheric Co2 content under the external emissions of greenhouse gases into the atmosphereMuryshevK. E.kmuryshev@mail.ruEliseevA. V.kmuryshev@mail.ruDenisovS. N.kmuryshev@mail.ruArzhanovM. M.kmuryshev@mail.ruTimazhevA. V.kmuryshev@mail.ruA.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics Russian Academy of SciencesLomonosov Moscow State UniversityKazan State UniversityMoscow Institute of Physics and Technology (State University)2006201955311192006201920062019Copyright © 2019, Russian academy of sciences2019<p>The phase shift between changes in the global surface temperature <em>T</em><em>g </em>and atmospheric CO2 content has been shown earlier not to characterize causal relationships in the Earth system in the general case. Specifically, the sign of this phase shift under nongreenhouse radiative forcing changes depends on the time scale of this forcing. This paper analyzes the phase shift between changes in the global surface temperature <em>T</em><em>g </em>and the atmospheric CO2 content <em>q</em>CO2 under synchronous external emissions of carbon dioxide and methane into the atmosphere on the basis of numerical experiments with the IAP RAS climatic model and a conceptual climate model with carbon cycle. For a sufficiently large time scale of external forcing, the changes in <em>q</em>CO2 lag relative to the corresponding changes in <em>T</em><em>g</em>.</p>IAP RAS CMclimate changecarbon cyclemethane cyclecausal relationshipsКМ ИФА РАНизменения климатауглеродный циклметановый циклпричинно-следственные связи[Climate change 2013: The Physical Science Basis. [Stocker T., Qin D., Plattner G.-K., et al. (eds.)]. Cambridge/New York, Cambridge Univ. Press, 1535 p.][Lean J., Rind D. How natural and anthropogenic influences alter global and regional surface temperatures: 1889 to 2006 // Geophys. Res. Lett. 2008. V. 35. № 18. P. L18701.][Мохов И.И., Смирнов Д.А. Эмпирические оценки воздействия естественных и антропогенных факторов на глобальную приповерхностную температуру // Доклады АН. 2009. Т. 426. № 5. C. 679–684.][Smirnov D.A., Mokhov I.I. From Granger causality to long-term causality: application to climatic data // Phys. Rev. E. 2009. V. 80. № 1. P. 016208.][Schonwiese C.D., Walter A., Brinckmann S. Statistical assessments of anthropogenic and natural global climate forcing. an update // Meteorol. Zeitschrift. 2010. V. 19 № 1. P. 3–10.][Мохов И.И., Смирнов Д.А., Карпенко А.А. Оценки связи изменений глобальной приповерхностной температуры с разными естественными и антропогенными факторами на основе данных наблюдений // Доклады АН. 2012. Т. 443. № 2. С. 225–231.][Мохов И.И., Смирнов Д.А. Оценки вклада Атлантической мультидесятилетней осцилляции и изменений атмосферного содержания парниковых газов в тренды приповерхностной температуры по данным наблюдений // Доклады АН. 2018. T. 480. № 1. С. 97–102.][Hegerl G., Hasselmann K., Cubasch U., Mitchell J., Roeckner E., Voss R., Waszkewitz J. Multi-fingerprint detection and attribution analysis of greenhouse gas, greenhouse gas-plus-aerosol and solar forced climate change // Clim. Dyn. 1997. V. 13. P. 613–634.][Stott P., Tett S., Jones G., Allen M., Ingram W., Mitchell J. Attribution of twentieth century temperature change to natural and anthropogenic causes // Clim. Dyn. 2001. V. 17. № 1. P. 1–21.][Stone D., Allen M., Selten F., Kliphuis M., Stott P. The detection and attribution of climate change using an ensemble of opportunity // J. Climate. 2007. V. 20. № 3. P. 504–516.][Stone D., Allen M., Stott P., Pall P., Min S. K., Nozawa T., Yukimoto S. The detection and attribution of human influence on climate // Annu. Rev. Energy Resour. 2009. V. 34. P. 1–16.][Sedlacek K., Knutti R. Evidence for external forcing on 20th-century climate from combined ocean atmosphere warming patterns // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. № 20. P. L20708.][Jones G., Stott P., Christidis N. Attribution of observed historical near-surface temperature variations to anthropogenic and natural causes using CM1P5 simulations // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2013. V. 118. № 10. P. 4001–4024.][Ribes A., Terray L. Application of regularised optimal fingerprint analysis for attribution. Part II: application to global near-surface temperature // Clim. Dyn. 2013. V. 41. № 11–12. P. 2837–2853.][Monnin E., Indermohle A., Dallenbach A., Flockiger J., Stauffer B., Stocker T., Raynaud D., Barnola J. M. Atmospheric CO2 concentrations over the last glacial termination // Science. 2001. V. 291. № 5501. P. 112–114.][Мохов И.И., Безверхний В.А., Карпенко А.А. Диагностика взаимных изменений содержания парниковых газов и температурного режима атмосферы по палеореконструкциям для антарктической станции Восток // Изв. РAH. Физика aтмocфepы и oкeaнa. 2005a. Т. 41. № 5. С. 579–592.][Мохов И.И., Безверхний В.А., Карпенко А.А. Взаимные изменения температурного режима и содержания парниковых газов в атмосфере по палеореконструкциям для последних 800 тысяч лет / В: Экстремальные природные явления и катастрофы. Т. 1. Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений. Отв. ред. А.О. Глико. М.: ИФЗ РАН, 2010. С. 312–319.][Bereiter B., Luthi D., Siegrista M., Schupbach S.,Stocker T., Fischer H. Mode change of millennial CO2 variability during the last glacial cycle associated with a bipolar marine carbon seesaw // Proc. Nat. Acad. Sci. 2012. V. 109. № 25. P. 9755–9760.][Humlum O., Stordahl K., Solheim J.E. The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature // Glob. Planet. Change. 2013. V. 100. P. 51–69.][Quinn J. Global Warming. Geophysical Counterpoints to the Enhanced Greenhouse Theory. Pittsburgh: Dorrance Publ., 2010. 118 p.][Мурышев К.Е., Елисеев А.В., Мохов И.И., Тимажев А.В. Взаимное запаздывание между изменениями температуры и содержания углекислого газа в атмосфере в простой совместной модели климата и углеродного цикла // Доклады АН. 2015. Т. 463. № 6. С. 708–712.][Muryshev K.E., Eliseev A.V., Mokhov I.I., Timazhev A.V. Lead-lag relationships between global mean temperature and the atmospheric CO2 content in dependence of the type and time scale of the forcing // Glob. Planet. Change. 2017. V. 148. P. 29–41.][Мурышев К.Е., Тимажев А.В., Дембицкая М.В. Взаимное запаздывание между изменениями глобальной температуры и содержания углекислого газа в атмосфере при непарниковом внешнем воздействии на климатическую систему // Фундаментальная и прикладная климатология. 2017. № 3. С. 84–102.][Мохов И.И. Диагностика структуры климатической системы. СПб: Гидрометеоиздат, 1993. 271 с.][Мохов И.И., Демченко П.Ф., Елисеев А.В., Хон В.Ч., Хворостьянов Д.В. Оценки глобальных и региональных изменений климата в XIX–XXI вв. на основе модели ИФА РАН с учетом антропогенных воздействий // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2002. Т. 38. № 5. С. 629–642.][Мохов И.И., Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Хон В.Ч., Акперов М.Г., Аржанов М.М., Карпенко А.А., Тихонов В.А., Чернокульский А.В., Сигаева Е.В. Климатические изменения и их оценки с использованием климатической модели ИФА РАН // Доклады АН. 2005. Т. 402. № 2. С. 243–247.][Елисеев А.В. Оценка изменения характеристик климата и углеродного цикла в XXI веке с учётом неопределённости значений параметров наземной биоты. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 2. С. 147–170.][Eliseev A., Mokhov I. Uncertainty of climate response to natural and anthropogenic forcings due to different land use scenarios // Adv. Atmos. Sci. 2011. V. 28. № 5. P. 1215–1232.][Мохов И.И., Елисеев А.В. Моделирование глобальных климатических изменений в XX–XXIII веках при новых сценариях антропогенных воздействий RCP // Доклады АН. 2012. Т. 443. № 6. С. 732–736.][Елисеев А.В., Сергеев Д.Е. Влияние подсеточной неоднородности растительности на расчёты характеристик углеродного цикла // Изв. РAH. Физика aтмocфepы и oкeaнa. 2014. Т. 50. № 3. С. 259–270.][Елисеев А.В., Мохов И.И., Чернокульский А.В. Влияние низовых и торфяных пожаров на эмиссии СО2 в атмосферу // Доклады АН. 2014. Т. 459. № 4. С. 496–500.][Eliseev A., Mokhov I., Chernokulsky A. An ensemble approach to simulate CO2 emissions from natural fires // Biogeosciences. 2014. V. 11. № 12. P. 3205–3223.][Eliseev A. Impact of tropospheric sulphate aerosols on the terrestrial carbon cycle // Glob. Planet. Change. 2015. V. 124. P. 30–40.][Елисеев А.В. Влияние соединений серы в тропосфере на наземный углеродный цикл // Изв. РAH. Физикa aтмocфepы и oкeaнa. 2015. Т. 51. № 6. С. 673–683.][Аржанов М.М., Елисеев А.В., Демченко П.Ф., Мохов И.И., Хон В.Ч. Моделирование температурного и гидрологического режима водосборов сибирских рек в условиях вечной мерзлоты с использованием данных реанализа // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 1. C. 86–93.][Аржанов М.М., Елисеев А.В., Мохов И.И. Влияние климатических изменений над сушей внетропических широт на динамику многолетне-мерзлых грунтов при сценариях RCP в XXI веке по расчетам глобальной климатической модели ИФА РАН // Метеорология и гидрология. 2013. № 7. C. 31–42.][Елисеев А.В., Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Мохов И.И. Изменения климатических характеристик суши внетропических широт Северного полушария в XXI веке: оценки с климатической моделью ИФА РАН // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2009. Т. 45. № 3. С. 291–304.][Елисеев А.В., Мохов И.И., Аржанов М.М., Демченко П.Ф., Денисов С.Н. Учет взаимодействия метанового цикла и процессов в болотных экосистемах в климатической модели промежуточной сложности // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2008. Т. 44. № 2. С. 147–162.][Денисов С.Н., Аржанов М.М., Елисеев А.В., Мохов И.И. Чувствительность эмиссий метана болотными экосистемами Западной Сибири к изменениям климата: мультимодельные оценки // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. № 4. C. 319–322.][Денисов C.Н., Елисеев А.В., Мохов И.И. Изменения климата в глобальной модели ИФА РАН с учетом взаимодействия с метановым циклом при антропогенных сценариях семейства RCP // Метеорология и гидрология. 2013. № 11. С. 30–42.][Osborn T.J., Wigley T.M.L. A Simple Model for Estimating Methane Concentration and Lifetime Variations // Clim. Dyn. 1994. V. 9. P. 181–193.][Andreae M., Jones C., Cox P. Strong present-day aerosol cooling implies a hot future // Nature. 2005. V. 435. № 7046. P. 1187–1190.][Masters T., Benestad R. Comment on “The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature” // Glob. Planet. Change. 2013. V. 106. P. 141–142.][Myhre G., Highwood E.J., Shine K. P., Stordal F. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 2715–2718.][Gedney N., Cox P.M., Huntingford C. Climate feedback from wetland methane emissions // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. P. L2050.]