计算气候对一般强迫响应的统计力学方法

气候属于非平衡强迫耗散系统，对于这类系统，包括涨落-耗散定理在内的准平衡统计力学的大多数结果并不适用。我们首次展示了如何将Ruelle线性响应理论（该理论是为严格研究扰动对非平衡统计力学系统一般可观测量影响而发展起来的）应用于分析气候响应。我们选择Lorenz 96模型作为测试平台，该模型具有公认的原型价值。我们回顾了响应理论的主要方面，并提出了一些新结果。然后，我们分析了局域和全局可观测量对具有局域和全局空间模式的扰动的响应频率依赖性。我们解析推导了磁化率的渐近行为、Kramers-Kronig关系的有效性以及求和规则，并将它们与描述系统未受扰动性质的参数联系起来。我们通过模拟输出以极高的精度验证了理论预测。该理论用于解释局域和全局可观测量响应的差异、定义系统的强度性质以及将气候敏感性的概念推广到所有时间尺度。我们还展示了如何重建线性格林函数，该函数将一般时间模式的扰动映射到所考虑可观测量期望值的变化。最后，我们提出了一种通过少量精心选择的模拟来研究气候变化问题的通用方法，并讨论了表面温度对$CO_2$浓度变化的响应的具体案例。这种方法可能为严格研究气候敏感性和气候变化问题提供一个全新的视角。