Hvor godt har klimamodeller projisert global oppvarming?

Hvor godt har klimamodeller projisert global oppvarming?

Forskere har gjort prognoser for fremtidig global oppvarming ved hjelp av klimamodeller av økende kompleksitet de siste fire tiårene.

Disse modellene, drevet av atmosfærisk fysikk og biogeokjemi, spiller en viktig rolle i forståelsen av jordens klima og hvordan det vil sannsynligvis endres i fremtiden.

Carbon Brief har samlet fram fremtredende klimamodellprognoser siden 1973 ser hvor godt de projiserer både tidligere og fremtidige globale temperaturer, som vist i animasjonen nedenfor. (Klikk på avspillingsknappen for å starte.)

Mens noen modeller projiserer mindre varme enn vi har opplevd og noen projiseres mer, øker all overfladetemperatur mellom 1970 og 2016 som ikke var for langt unna det som faktisk skjedde, spesielt når forskjeller i antatte fremtidige utslipp er tatt i betraktning.

Hvordan har tidligere klimamodeller gått?

Selv om klimamodellprojeksjoner fra fortiden drar nytte av kunnskap om atmosfæriske drivhusgasskonsentrasjoner, vulkanske utbrudd og andre radiative forcings påvirker jordens klima, og kaster seg frem i fremtiden er forståelig nok mer usikkert. Klimamodellene kan evalueres både på deres evne til å hindre forbi temperaturer og forutse fremtidige.

Hindcasts - testmodeller mot tidligere temperaturer - er nyttige fordi de kan kontrollere for radiative forcings. Prognoser er nyttige fordi modeller ikke kan være implisitt innstilt å være lik observasjoner. Klimamodellene er ikke egnet til historiske temperaturer, men modeller har litt kunnskap om observasjoner som kan informere deres valg of modellparameteriseringer, for eksempel skyfysikk og aerosol-effekter.

I eksemplene nedenfor sammenlignes klimamodellprojeksjoner mellom 1973 og 2013 med observerte temperaturer fra Fem forskjellige organisasjoner. Modellene som brukes i projeksjonene varierer i kompleksitet, fra enkle energibalanse modeller til fullt koblet Jordens systemmodeller.

(Merk at disse modell- / observasjonssammenligningene bruker en basisperiode for 1970-1990 for å justere observasjoner og modeller i de første årene av analysen, som viser hvordan temperaturen har utviklet seg over tid tydeligere.)

Sawyer, 1973

En av de første prognosene for fremtidig oppvarming kom fra John Sawyer på Storbritannias Met Office i 1973. I en papir publisert i naturen i 1973 antydet han at verden ville varme 0.6C mellom 1969 og 2000, og at atmosfæren CO2 ville øke med 25%. Sawyer hevdet for a klimafølsomhet - hvor mye langsiktig oppvarming vil oppstå ved fordobling av atmosfæriske CO2-nivåer - av 2.4C, som ikke er for langt unna beste estimat av 3C som brukes av det internasjonale regjeringspanelet om klimaendringer (IPCC) i dag.

I motsetning til de andre projeksjonene som ble undersøkt i denne artikkelen, ga Sawyer ikke en estimert oppvarming for hvert år, bare en forventet 2000-verdi. Hans oppvarmingsestimat av 0.6C var nesten spot på - den observerte oppvarmingen i perioden var mellom 0.51C og 0.56C. Han overvurderte år 2000s atmosfæriske CO2 konsentrasjoner, men antatt at de ville være 375-400ppm - sammenlignet med den faktiske verdien av 370ppm.

Broecker, 1975

Den første tilgjengelige projeksjonen av fremtidige temperaturer på grunn av global oppvarming dukket opp i en artikkel i Vitenskap i 1975 publisert av Columbia University forsker Prof Wally Broecker. Broecker brukte a enkel energibalanse modell å estimere hva som ville skje med jordens temperatur hvis atmosfærisk CO2 fortsatte å øke raskt etter 1975. Broeckers forventede oppvarming var rimelig nær observasjoner i noen tiår, men har nylig vært betydelig høyere.

Dette skyldes for det meste at Broecker overvurderer hvordan CO2-utslipp og atmosfæriske konsentrasjoner vil øke etter at artikkelen ble publisert. Han var ganske nøyaktig opp til 2000, forutsi 373ppm av CO2 - sammenlignet med faktiske Mauna Loa observasjoner av 370ppm. I 2016 estimerte han imidlertid at CO2 ville være 424ppm, mens bare 404 pm er blitt observert.

Broecker tok heller ikke hensyn til andre drivhusgasser i modellen. Men som oppvarmingen påvirker fra metan, nitrogenoksid og halokarboner har vært i stor grad kansellert ved generell kjølepåvirkning av aerosoler siden 1970, gjør det ikke så stor forskjell (skjønt estimater av aerosolforcings har stor usikkerhet).

Som med Sawyer brukte Broecker en likevektsklimafølsomhet for 2.4C per dobling av CO2. Broecker antok at jorden øyeblikkelig varmes opp for å matche atmosfærisk CO2, mens moderne modeller står for hvor lenge atmosfæren og havene varmes opp. (Den langsommere varmeopptaket av havene blir ofte referert til som "termisk treghet"Av klimasystemet.)

Du kan se projeksjonen hans (svart linje) i forhold til observert temperaturstigning (fargede linjer) i diagrammet nedenfor.

<br />

Projisert oppvarming fra Broecker 1975 (tykk svart linje) i forhold til observasjonstemperaturrekord fra NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan og Wayog Berkeley Earth (tynnfargede linjer) fra 1970 til 2020. Grunnlinjen for 1970-1990. Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

Broecker gjorde projeksjonen på en tid da forskere trodde at observasjonene var store viste en beskjeden kjøling av jorden. Han begynte sin artikkel ved forutgående å si at "det er et sterkt tilfelle at den nåværende kjøletrenden vil, innen et tiår eller så, gi vei til en uttalt oppvarming forårsaket av karbondioksid".

Hansen et al., 1981

NASAs Dr James Hansen og kolleger publisert et papir i 1981 som også benyttet en enkel energibalansemodell for å projisere fremtidig oppvarming, men utgjorde termisk inerti på grunn av oppvarming av havet. De antok en klimasensitivitet for 2.8C per dobling CO2, men så også på en rekke 1.4-5.6C per dobling.

Projisert oppvarming fra Hansen et al. 1981 (hurtig vekst-tykk svart linje og langsom vekst-tynn grå linje). Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

Hansen og kollegaene presenterte en rekke forskjellige scenarier, varierende fremtidige utslipp og klimagjenkjenning. I diagrammet ovenfor kan du se både "rask vekst" -scenario (tykk svart linje), hvor CO2-utslippene øker med 4% årlig etter 1981, og et sakte vekstscenario hvor utslippene øker med 2% årlig (tynn grå linje ). Hurtigvekstscenariet overestimerer noe nåværende utslipp, men når det kombineres med en litt lavere klimabesensighet, gir det et estimat av tidlig 2000s oppvarming nær observert verdier.

Den totale oppvarmingshastigheten mellom 1970 og 2016 projisert av Hansen et al i 1981 i vekstscenariet har vært omtrent 20% lavere enn observasjoner.

Hansen et al., 1988

De utgitt papir av Hansen og kolleger i 1988 representerte en av de første moderne klimamodellene. Den splittet verden i diskrete gridceller med åtte grader breddegrad ved 10 grader lengdegrad, med ni vertikale lag av atmosfæren. Det inneholdt aerosoler, ulike drivhusgasser i tillegg til CO2, og grunnleggende sky dynamikk.

Hansen et al presenterte tre forskjellige scenarier knyttet til ulike fremtidige klimagassutslipp. Scenario B vises i tabellen under som en tykk svart linje, mens scenariene A og C vises med tynne grå linjer. Scenario A hadde eksponentiell vekst i utslipp, med CO2 og andre drivhusgasskonsentrasjoner betydelig høyere enn i dag.

Projisert oppvarming fra Hansen et al. 1988 (scenario B-tykk svart linje- og scenarier A og C-tynne faste og punkterte grå linjer). Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

Scenario B antok en gradvis nedgang i CO2-utslipp, men hadde konsentrasjoner av 401ppm i 2016 som var ganske nært til 404ppm observert. Scenario B antok imidlertid fortsatt vekst av utslipp av forskjellige halokarboner som er kraftige klimagasser, men ble senere begrenset under Montreal-protokollen av 1987. Scenario C hadde utslippene nær noll etter året 2000.

Av de tre var scenario B nærmest den faktiske radiative tvinge, men likevel om 10% for høy. Hansen et al. Benyttet også en modell med en klimavensivitet for 4.2C per dobling av CO2 - på høydepunktet av de mest moderne klimamodellene. På grunn av kombinasjonen av disse faktorene projiserte scenario B en oppvarmingshastighet mellom 1970 og 2016 som var omtrent 30% høyere enn det som ble observert.

IPCC First Assessment Report, 1990

IPCCs Første vurderingsrapport (FAR) i 1990 inneholdt relativt enkle energibalanse / oppvellende diffusjonsmodeller for å estimere endringer i globale lufttemperaturer. Deres karakteristiske business-as-usual (BAU) scenario antok rask vekst av atmosfærisk CO2, og nå 418ppm CO2 i 2016, sammenlignet med 404ppm i observasjoner. FAR antok også fortsatt vekst av atmosfæriske halokarbon-konsentrasjoner mye raskere enn det faktisk har skjedd.

FAR ga et best estimat av klimatilfølsomhet som 2.5C-oppvarming for doblet CO2, med en rekke 1.5-4.5C. Disse estimatene blir brukt på BAU-scenariet i figuren under, med den tykke, svarte linjen som representerer det beste estimatet og de tynne, stiplede, svarte linjene som representerer høyden og den lave enden av klimafølsomhetsområdet.

Projisert oppvarming fra IPCCs første vurderingsrapport (gjennomsnittlig projeksjons tykk svart linje, med øvre og nedre grenser vist med tynne stiplede svarte linjer). Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

Til tross for et best estimat av klimafølsomhet, en tad lavere enn 3C som brukes i dag, overvurderte FAR oppvarmingsraten mellom 1970 og 2016 med rundt 17% i BAU-scenariet, og viste 1C-oppvarming over den perioden i forhold til 0.85C observert. Dette skyldes hovedsakelig projeksjonen av mye høyere atmosfæriske CO2-konsentrasjoner enn det som faktisk har skjedd.

IPCC andre vurderingsrapport, 1995

IPCCs Andre vurderingsrapport (SAR) publiserte bare lett tilgjengelige projeksjoner fra 1990 videre. De brukte en klimafølsomhet av 2.5C, med en rekke 1.5-4.5C. Deres mid-range utslipp scenario, "IS92a", projiserte CO2 nivåer av 405ppm i 2016, nesten identisk med observert konsentrasjoner. SAR inkluderte også mye bedre behandling av antropogene aerosoler, som har en avkjølende effekt på klimaet.
<br />

Projisert oppvarming fra IPCCs andre vurderingsrapport (gjennomsnittlig projeksjonstrik svart linje, med øvre og nedre grenser vist med tynne prikkede svarte linjer). Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

Som du kan se i diagrammet ovenfor, endte SARs projeksjoner med å bli vesentlig lavere enn observasjoner, og oppvarmet om 28% langsommere i perioden fra 1990 til 2016. Dette skyldes sannsynligvis en kombinasjon av to faktorer: en lavere klimabesensighet enn funnet i moderne estimater (2.5C vs 3C) og en overvurdering av radiativ tvinging av CO2 (4.37 watt per kvadratmeter versus 3.7 brukt i den påfølgende IPCC-rapporten og fortsatt brukt i dag).

IPCC tredje vurderingsrapport, 2001

IPCC Tredje vurderingsrapport (TAR) stod på atmosfæren-havs generelle sirkulasjonsmodeller (GCMs) fra syv forskjellige modelleringsgrupper. De introduserte også et nytt sett med sosioøkonomiske utslippsscenarier, kalt SRES, som inneholdt fire forskjellige fremtidige utslippsprosjekter.

Her undersøker Carbon Brief den A2-scenariet, men alle har ganske liknende utslipp og oppvarmingsbaner opp til 2020. A2-scenariet projiserte en 2016 atmosfærisk CO2-konsentrasjon av 406 ppm, nesten det samme som det som ble observert. SRES-scenariene var fra 2000 videre, med modeller før året 2000 ved å bruke estimerte historiske forcings. Den stiplede grå linjen i figuren over viser punktet på hvilke modeller overgang fra bruk av observerte utslipp og konsentrasjoner til projiserte fremtidige.

Projisert oppvarming fra IPCCs tredje vurderingsrapport (gjennomsnittlig projeksjons tykk svart linje, med øvre og nedre grenser vist med tynne stiplede svarte linjer). Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

TARs overskriftsprojeksjon brukte en enkel klimamodell som var konfigurert til å matche gjennomsnittlige utganger fra syv mer sofistikerte GCMer, da ikke noe spesifikt multimodel gjennomsnitt ble publisert i TAR og data for individuelle modellkjøringer er ikke lett tilgjengelige. Den har en klimavensjon av 2.8C per dobling CO2, med en rekke 1.5-4.5C. Som vist i diagrammet ovenfor var oppvarmingshastigheten mellom 1970 og 2016 i TAR omtrent 14% lavere enn det som faktisk er observert.

IPCC fjerde vurderingsrapport, 2007

IPCCs Fjerde vurderingsrapport (AR4) presenterte modeller med betydelig forbedret atmosfærisk dynamikk og modelloppløsning. Det gjorde større bruk av jordsystemmodeller - som omfatter biogeokjemi av karboncykler - samt forbedrede simuleringer av landoverflate og isprosesser.

AR4 brukte de samme SRES-scenariene som TAR, med historiske utslipp og atmosfæriske konsentrasjoner frem til år 2000 og fremskrivninger deretter. Modeller som ble brukt i AR4 hadde en gjennomsnittlig klimafølsomhet for 3.26C, med en rekkevidde av 2.1C til 4.4C.

<br />

Projisert oppvarming fra IPCCs fjerde vurderingsrapport (gjennomsnittlig projeksjon tykk svart linje, to-sigma øvre og nedre grenser vist med tynne prikkede svarte linjer). Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

Figuren over viser modellkjøringer for A1B-scenariet (som er det eneste scenariet med modellkjørsler som er tilgjengelig, selv om dets 2016 CO2-konsentrasjoner er nesten identiske med A2-scenariet). AR4 projeksjoner mellom 1970 og 2016 viser oppvarming ganske nær observasjoner, bare 8% høyere.

IPCC Fifth Assessment Report, 2013

Den nyeste IPCC-rapporten - Femte vurdering (AR5) - presenterte ytterligere forbedringer på klimamodellene, samt en beskjeden reduksjon i fremtidig modellusikkerhet sammenlignet med AR4. Klimamodellene i den siste IPCC-rapporten var en del av Kombinert modellinterkomparasjonsprosjekt 5 (CMIP5), hvor dusinvis av ulike modelleringsgrupper over hele verden løp klimamodeller med samme sett med innganger og scenarier.

Projisert oppvarming fra IPCC Fifth Assessment Report (gjennomsnittlig projeksjon tykk svart linje, to-sigma øvre og nedre grenser vist med tynne punkterte svarte linjer). Stiplede svarte linjer viser blandede modellfelter. Diagram med Carbon Brief bruker Highcharts.

AR5 introduserte et nytt sett med fremtidige klimagass konsentrasjonsscenarier, kjent som Representative konsentrasjonsveier (RCPs). Disse har fremtidige fremskrivninger fra 2006 og fremover, med historiske data før 2006. Den grå stiplede linjen i figuren over viser hvor modellovergang fra bruk av observerte forcings til projiserte fremtidige forcings.

Sammenligning av disse modellene med observasjoner kan være en litt vanskelig trening. De mest brukte feltene fra klimamodellene er globale overflatetemperaturer. Men observerte temperaturer kommer fra overflatetemperaturer over land og sjøoverflatetemperaturer over havet.

For å redegjøre for dette, har forskere nylig opprettet blandede modellfelter, som inkluderer havflatetemperaturer over havene og overflatetemperaturen over land, for å matche det som faktisk måles i observasjonene. Disse blandede feltene, vist med strekket i figuren ovenfor, viser noe mindre oppvarming enn globale overflatetemperaturer, da modeller har luft over havoppvarming raskere enn havflatetemperaturer de siste årene.

Globale overflatetemperaturer i CMIP5-modeller har oppvarmet seg om 16% raskere enn observasjoner siden 1970. Om 40% av denne forskjellen skyldes lufttemperaturer over havet oppvarming raskere enn sjøoverflatetemperaturer i modellene; Blandede modellfelt viser bare oppvarming 9% raskere enn observasjoner.

A nylig papir i naturen by Iselin Medhaug og kollegaer antyder at resten av divergensen kan regnes med en kombinasjon av kortsiktig naturlig variabilitet (hovedsakelig i Stillehavet), små vulkaner og lavere enn forventet solproduksjon som ikke var inkludert i modeller i deres post- 2005 projeksjoner.

Nedenfor er et sammendrag av alle modellene Carbon Brief har sett på. Tabellen nedenfor viser forskjellen i varmen mellom hver modell eller sett med modeller og NASAs temperatur observasjoner. Alle observasjonstemperaturregistrene er ganske like, men NASA er blant gruppen som inkluderer mer fullstendig global dekning de siste årene, og er dermed mer direkte sammenlignbare med klimamodelldata.

Hvor godt har klimamodeller projisert global oppvarming?

* SAR-trendforskjeller beregnes over perioden fra 1990-2016, ettersom estimater før 1990 ikke er lett tilgjengelige.
# Forskjeller i parentes basert på blandede modell land / havfelter

konklusjonen

Klimamodeller publisert siden 1973 har generelt vært ganske dyktige i å projisere fremtidig oppvarming. Mens noen var for lave og noen for høye, viser de alle resultater som ligger rimelig nær det som faktisk har skjedd, særlig når det tas hensyn til avvik mellom forventede og faktiske CO2-konsentrasjoner og andre klimagrupper.

Modeller er langt fra perfekte og vil fortsette å bli forbedret over tid. De viser også et ganske stort utvalg av fremtidige oppvarming som kan ikke lett bli innsnevret bruker bare de endringer i klimaet vi har observert.

Likevel antyder den tette kampen mellom projisert og observert oppvarming siden 1970 at estimater for fremtidig oppvarming kan vise seg like nøyaktig.

Metodisk notat

Miljøforsker Dana Nuccitelli Hjulpet gitt en liste over tidligere modell / observasjons sammenligninger, tilgjengelig her. De PlotDigitizer programvare ble brukt til å skaffe verdier fra eldre figurer når data ikke var tilgjengelig på annen måte. CMIP3 og CMIP5 modelldata ble hentet fra KNMI Climate Explorer.

Denne artikkelen opprinnelig dukket opp på Carbon Brief

Om forfatteren

Zeke Hausfather dekker forskning innen klimavitenskap og energi med et amerikansk fokus. Zeke har mastergrad i miljøvitenskap fra Yale University og Vrije Universiteit Amsterdam, og fullfører en PhD i klimavitenskap ved University of California, Berkeley. Han har brukt de siste 10-årene som dataforsker og gründer i cleantech-sektoren.

Relaterte bøker

{amazonWS: searchindex = Bøker; søkeord = klima modellering; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}