Hoe goed hebben klimaatmodellen een globale opwarming geprojecteerd?

Wetenschappers maken de afgelopen veertig jaar voorspellingen van toekomstige opwarming van de aarde met behulp van klimaatmodellen van toenemende complexiteit.

Deze modellen, aangedreven door atmosferische fysica en biogeochemie, spelen een belangrijke rol in ons begrip van het klimaat op aarde en hoe dit in de toekomst waarschijnlijk zal veranderen.

Carbon Brief heeft sinds 1973 prominente klimaatmodelprojecties verzameld om te zien hoe goed ze zowel de afgelopen als toekomstige globale temperaturen projecteren, zoals te zien is in de onderstaande animatie. (Klik op de knop Afspelen om te starten.)

Hoewel sommige modellen minder opwarming voorspelden dan we hebben meegemaakt en sommige meer hebben geprojecteerd, toonden alle oppervlaktetemperatuurstijgingen tussen 1970 en 2016 die niet zo ver af lagen van wat er daadwerkelijk gebeurde, vooral wanneer rekening wordt gehouden met verschillen in veronderstelde toekomstige emissies.

Hoe is het afgelopen met de klimaatmodellen?

Terwijl klimaatmodelprojecties uit het verleden profiteren van kennis van atmosferische broeikasgasconcentraties, vulkaanuitbarstingen en andere stralende bewegingen invloed op het klimaat van de aarde, vooruitkijken naar de toekomst is begrijpelijker onzeker. Klimaatmodellen kunnen zowel worden beoordeeld op hun vermogen om temperaturen uit het verleden te temperen als toekomstige voorspellingen te voorspellen.


innerlijk abonneren grafisch


Hindcasts - het testen van modellen tegen temperaturen in het verleden - zijn nuttig omdat ze kunnen controleren op stralingsforcings. Prognoses zijn handig omdat modellen dat niet kunnen zijn impliciet afgestemd vergelijkbaar zijn met waarnemingen. Klimaatmodellen zijn niet geschikt voor historische temperaturen, maar modelbouwers hebben wel enige kennis van waarnemingen die dat wel kunnen informeer hun keuze of model parameterisaties, zoals cloudfysica en aërosoleffecten.

In de onderstaande voorbeelden worden klimaatmodelprojecties gepubliceerd tussen 1973 en 2013 vergeleken met waargenomen temperaturen van vijf verschillende organisaties. De modellen die worden gebruikt in de projecties variëren in complexiteit, van eenvoudig energiebalansmodellen volledig gekoppeld Earth System-modellen.

(Merk op dat deze model- / observatie-vergelijkingen een basislijnperiode van 1970-1990 gebruiken om observaties en modellen uit te lijnen tijdens de eerste jaren van de analyse, die laat zien hoe de temperatuur in de loop van de tijd duidelijker evolueerde.)

Sawyer, 1973

Een van de eerste projecties van toekomstige opwarming kwam van John Sawyer in het Met Office van het Verenigd Koninkrijk in 1973. In een papier gepubliceerd in Nature in 1973 stelde hij dat de wereld 0.6C tussen 1969 en 2000 zou opwarmen, en dat CO2 in de atmosfeer met 25% zou toenemen. Sawyer pleitte voor een klimaatgevoeligheid - hoeveel langzame opwarming zal optreden per verdubbeling van atmosferische CO2-niveaus - van 2.4C, dat niet ver van de beste schatting van 3C gebruikt door het Intergouvernementeel Panel over Klimaatverandering (IPCC) vandaag.

In tegenstelling tot de andere projecties die in dit artikel zijn beschreven, heeft Sawyer geen geschatte opwarming voor elk jaar opgegeven, alleen een verwachte 2000-waarde. Zijn opwarming schatting van 0.6C was bijna ter plaatse - de waargenomen opwarming in die periode was tussen 0.51C en 0.56C. Hij overschatte de atmosferische CO2000-concentraties van het jaar 2 echter, ervan uitgaande dat ze 375-400ppm zouden zijn - in vergelijking met de werkelijke waarde van 370ppm.

Broecker, 1975

De eerste beschikbare projectie van toekomstige temperaturen als gevolg van de opwarming van de aarde verscheen in een artikel in Wetenschap in 1975 gepubliceerd door Columbia University scientist Prof Wally Broecker. Broecker gebruikte a eenvoudig energiebalansmodel schatten wat er met de temperatuur op aarde zou gebeuren als atmosferische CO2 snel bleef stijgen na 1975. De geprojecteerde opwarming van Broecker stond al enkele decennia redelijk dicht bij de waarnemingen, maar is de laatste tijd aanzienlijk hoger.

Dit komt vooral doordat Broecker overschatte hoe CO2-emissies en atmosferische concentraties zouden toenemen nadat zijn artikel werd gepubliceerd. Hij was redelijk accuraat tot 2000 en voorspelde 373ppm van CO2 - vergeleken met daadwerkelijke Mauna Loa-waarnemingen van 370ppm. In 2016 schatte hij echter dat CO2 424ppm zou zijn, terwijl alleen 404 pm is waargenomen.

Broecker hield ook geen rekening met andere broeikasgassen in zijn model. Echter, als de opwarming impact van methaan, lachgas en halogeenkoolwaterstoffen is grotendeels tenietgedaan Door de totale afkoelende invloed van aerosolen sinds 1970 maakt dit niet zo'n groot verschil (hoewel schattingen van aerosol forcings grote onzekerheden hebben).

Evenals Sawyer gebruikte Broecker een evenwichtskarakteristiek van het evenwicht van 2.4C per verdubbeling van CO2. Broecker ging ervan uit dat de aarde onmiddellijk opwarmt om het atmosferische CO2 te evenaren, terwijl moderne modellen rekening houden met de vertraging tussen hoe snel de atmosfeer en de oceanen opwarmen. (De langzamere opname door de hitte door de oceanen wordt vaak aangeduid als de "thermische inertie"Van het klimaatsysteem.)

U kunt zijn projectie (zwarte lijn) zien in vergelijking met waargenomen temperatuurstijging (gekleurde lijnen) in de onderstaande grafiek.

<br />

Geprojecteerde opwarming van Broecker 1975 (dikke zwarte lijn) in vergelijking met observationele temperatuurrecords van NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan en Way en Berkeley Earth (dunne gekleurde lijnen) van 1970 naar 2020. Basislijnperiode van 1970-1990. Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

Broecker maakte zijn projectie in een tijd waarin wetenschappers over het algemeen dachten dat de observaties vertoonde een bescheiden koeling van de aarde. Hij begon zijn artikel met een voorzichtige verklaring dat "er een sterke zaak kan worden gemaakt dat de huidige afkoelingstrend binnen tien jaar plaats zal maken voor een uitgesproken opwarming veroorzaakt door koolstofdioxide".

Hansen et al, 1981

NASA's Dr. James Hansen en collega's een paper gepubliceerd in 1981 dat ook een eenvoudig energiebalansmodel gebruikte om de toekomstige opwarming te projecteren, maar rekening hield met thermische traagheid als gevolg van opname door de oceaanhitte. Ze veronderstelden een klimaatgevoeligheid van 2.8C per verdubbeling van CO2, maar keken ook naar een bereik van 1.4-5.6C per verdubbeling.

Verwachte opwarming van Hansen et al. 1981 (snelle groei - dikke zwarte lijn - en langzame groei - dunne grijze lijn). Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

Hansen en collega's presenteerden een aantal verschillende scenario's, variërende toekomstige emissies en klimaatgevoeligheid. In de bovenstaande grafiek ziet u zowel het scenario 'snelgroeien' (dikke zwarte lijn), waar de CO2-emissies na 4 jaarlijks met 1981% toenemen, en een scenario met langzame groei waarbij de emissies jaarlijks met 2% toenemen (dunne grijze lijn ). Het snelgroeiscenario overschat enigszins de huidige emissies, maar in combinatie met een iets lagere klimaatgevoeligheid geeft het een schatting van de vroege 2000-opwarming in de buurt van de waargenomen waarden.

De totale opwarmingssnelheid tussen 1970 en 2016 zoals geprojecteerd door Hansen et al in 1981 in het snelgroeiende scenario was ongeveer 20% lager dan waarnemingen.

Hansen et al, 1988

De papier gepubliceerd door Hansen en collega's in 1988 vertegenwoordigden een van de eerste moderne klimaatmodellen. Het verdeelde de wereld in discrete rastercellen van acht graden breedtegraad op 10-graden-lengte, met negen verticale lagen van de atmosfeer. Het omvatte naast CO2 ook aerosols, verschillende broeikasgassen en basiswolkendynamica.

Hansen et al stelden drie verschillende scenario's voor die samenhangen met verschillende toekomstige broeikasgasemissies. Scenario B wordt in de onderstaande grafiek weergegeven als een dikke zwarte lijn, terwijl scenario's A en C worden weergegeven door dunne grijze lijnen. Scenario A had een exponentiële groei in emissies, met CO2 en andere broeikasgasconcentraties aanzienlijk hoger dan vandaag.

Geprojecteerde opwarming van Hansen et al. 1988 (scenario B-dikke zwarte lijn-en scenario's A en C-dunne effen en gestreepte grijze lijnen). Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

Scenario B ging uit van een geleidelijke vertraging van de CO2-emissies, maar had concentraties van 401ppm in 2016 die vrij dicht bij de 404ppm waargenomen. Scenario B ging echter uit van de aanhoudende groei van de emissies van verschillende halogeenkoolstoffen die krachtige broeikasgassen zijn, maar werden vervolgens beperkt door de Protocol van Montreal van 1987. Scenario C liet de uitstoot na het jaar 2000 bijna nul worden.

Van de drie was scenario B het dichtst bij werkelijke stralingsforceren, hoewel nog steeds ongeveer 10% te hoog. Hansen et al. Gebruikten ook een model met een klimaatgevoeligheid van 4.2C per verdubbeling van CO2 - aan de bovenkant van de meeste moderne klimaatmodellen. Vanwege de combinatie van deze factoren voorspelde scenario B een opwarmsnelheid tussen 1970 en 2016 die ongeveer 30% hoger was dan wat is waargenomen.

IPCC Eerste beoordelingsrapport, 1990

De IPCC's Eerste beoordelingsrapport (FAR) in 1990 bevatte relatief eenvoudige energiebalans / opwaartse diffusie-oceaanmodellen om veranderingen in de wereldwijde luchttemperatuur te schatten. Hun aanbevolen business-as-usual (BAU) -scenario veronderstelde een snelle groei van atmosferisch CO2, waarbij 418ppm CO2 werd bereikt in 2016, vergeleken met 404ppm in observaties. De FAR veronderstelde ook een aanhoudende groei van atmosferische halocarbon concentraties veel sneller dan daadwerkelijk heeft plaatsgevonden.

De FAR gaf een beste schatting van de klimaatgevoeligheid als 2.5C-opwarming voor verdubbeld CO2, met een bereik van 1.5-4.5C. Deze schattingen worden toegepast op het BAU-scenario in de onderstaande afbeelding, waarbij de dikke zwarte lijn de beste schatting vertegenwoordigt en de dunne gestreepte zwarte lijnen de hoge en laagste waarden van het klimaatgevoeligheidsbereik vertegenwoordigen.

Geprojecteerde opwarming uit het IPCC Eerste beoordelingsrapport (gemiddelde projectiedikke zwarte lijn, met boven- en ondergrenzen weergegeven door dunne gestippelde zwarte lijnen). Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

Ondanks een beste inschatting van de klimaatgevoeligheid, een beetje lager dan de 3C die vandaag wordt gebruikt, overschatte de FAR de opwarmsnelheid tussen 1970 en 2016 met ongeveer 17% in hun BAU-scenario, en liet 1C-opwarming gedurende die periode versus 0.85C zien. Dit komt voornamelijk door de projectie van veel hogere CO2 concentraties in de atmosfeer dan feitelijk is gebeurd.

IPCC Tweede beoordelingsrapport, 1995

De IPCC's Tweede beoordelingsrapport (SAR) publiceerde alleen direct beschikbare projecties vanaf 1990. Ze gebruikten een klimaatgevoeligheid van 2.5C, met een bereik van 1.5-4.5C. Hun emissiescenario in het middensegment, "IS92a", projecteerde CO2-niveaus van 405ppm in 2016, bijna identiek aan de waargenomen concentraties. SAR omvatte ook een veel betere behandeling van antropogene aerosolen, die een verkoelend effect hebben op het klimaat.
<br />

 Geprojecteerde opwarming uit het IPCC Tweede beoordelingsrapport (gemiddelde projectiedikke zwarte lijn, met boven- en ondergrenzen weergegeven door dunne gestippelde zwarte lijnen). Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

Zoals je kunt zien in de bovenstaande grafiek, eindigden de projecties van SAR aanzienlijk lager dan waarnemingen, waardoor 28% langzamer opwarmde in de periode van 1990 tot 2016. Dit was waarschijnlijk te wijten aan een combinatie van twee factoren: een lagere klimaatgevoeligheid dan gevonden in moderne schattingen (2.5C versus 3C) en een overschatting van de stralingsforcering van CO2 (4.37 watt per vierkante meter ten opzichte van 3.7 gebruikt in het volgende IPCC-rapport en vandaag nog steeds gebruikt).

IPCC Third Assessment Report, 2001

Het IPCC Derde beoordelingsrapport (TAR) vertrouwde op atmosfeer-oceaan algemene circulatiemodellen (GCM's) van zeven verschillende modelleringsgroepen. Ze introduceerden ook een nieuwe set van sociaaleconomische emissiescenario's, genaamd SRES, waaronder vier verschillende toekomstige emissietrajecten.

Hier bekijkt Carbon Brief de A2-scenario, hoewel ze allemaal vrij vergelijkbare emissies en opwarmtrajecten tot 2020 hebben. Het A2-scenario projecteerde een 2016 atmosferische CO2-concentratie van 406 ppm, bijna hetzelfde als wat werd waargenomen. De SRES-scenario's waren vanaf 2000, met modellen van vóór het jaar 2000 met geschatte historische forcings. De onderbroken grijze lijn in de bovenstaande afbeelding toont het punt waarop modellen overschakelen van het gebruik van waargenomen emissies en concentraties naar geprojecteerde toekomstige emissies.

Geprojecteerde opwarming uit het IPCC Third Assessment Report (gemiddelde projectiedikke zwarte lijn, met boven- en ondergrenzen weergegeven door dunne gestippelde zwarte lijnen). Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

TAR's hoofdprojectie gebruikte een eenvoudig klimaatmodel dat was geconfigureerd om overeen te stemmen met de gemiddelde outputs van zeven meer geavanceerde GCM's, aangezien er geen specifiek multimodel-gemiddelde werd gepubliceerd in TAR en gegevens voor individuele modelreeksen niet direct beschikbaar zijn. Het heeft een klimaatgevoeligheid van 2.8C per verdubbeling van CO2, met een bereik van 1.5-4.5C. Zoals weergegeven in de bovenstaande grafiek, was de opwarmsnelheid tussen 1970 en 2016 in de TAR ongeveer 14% lager dan wat daadwerkelijk werd waargenomen.

IPCC Vierde Beoordelingsrapport, 2007

De IPCC's Vierde beoordelingsrapport (AR4) aanbevolen modellen met aanzienlijk verbeterde atmosferische dynamiek en modelresolutie. Het maakte meer gebruik van Earth System Models - waarin de biogeochemie van koolstofcycli is verwerkt - en verbeterde simulaties van landoppervlak- en ijsprocessen.

AR4 gebruikte dezelfde SRES-scenario's als de TAR, met historische emissies en atmosferische concentraties tot het jaar 2000 en de daaropvolgende projecties. Modellen die in AR4 worden gebruikt, hadden een gemiddelde klimaatgevoeligheid van 3.26C, met een bereik van 2.1C tot 4.4C.

<br />

Geprojecteerde opwarming uit het IPCC Vierde Beoordelingsrapport (gemiddelde projectiedikke zwarte lijn, twee-sigma bovenste en onderste grenzen weergegeven door dunne gestippelde zwarte lijnen). Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

In de bovenstaande afbeelding worden de modelruns weergegeven voor het A1B-scenario (het enige scenario met modelruns die direct beschikbaar zijn, hoewel de 2016 CO2-concentraties vrijwel identiek zijn aan die van het A2-scenario). AR4-projecties tussen 1970 en 2016 laten de opwarming vrij dicht bij waarnemingen zien, alleen 8% hoger.

IPCC vijfde beoordelingsrapport, 2013

Het meest recente IPCC-rapport - het Vijfde beoordeling (AR5): extra verfijningen op klimaatmodellen en een bescheiden vermindering van toekomstige onzekerheid in het model in vergelijking met AR4. De klimaatmodellen in het laatste IPCC-rapport maakten deel uit van de Gekoppeld model Intervergelijkingsproject 5 (CMIP5), waar tientallen verschillende modelgroepen over de hele wereld klimaatmodellen gebruikten met dezelfde set inputs en scenario's.

Geprojecteerde opwarming uit het IPCC Vijfde Beoordelingsrapport (gemiddelde projectiedikke zwarte lijn, twee-sigma bovenste en onderste grenzen weergegeven door dunne gestippelde zwarte lijnen). Een gestreepte zwarte lijn toont gemengde modelvelden. Grafiek door Carbon Briefing met Highcharts.

AR5 introduceerde een nieuwe reeks toekomstige scenario's voor de concentratie van broeikasgassen, bekend als de RCP scenario's (RCP). Deze hebben toekomstige projecties vanaf 2006, met historische gegevens voorafgaand aan 2006. De grijze streepjeslijn in de bovenstaande afbeelding laat zien waar modellen overgaan van het gebruik van waargenomen forcings naar geprojecteerde toekomstige bewerkingen.

Het vergelijken van deze modellen met waarnemingen kan een zijn enigszins lastige oefening. De meest gebruikte velden van klimaatmodellen zijn globale oppervlaktetemperatuur. De waargenomen temperaturen zijn echter afkomstig van de oppervlaktetemperatuur van de lucht over land- en zeeoppervlaktetemperaturen boven de oceaan.

Om daarover verantwoording af te leggen, hebben onderzoekers recentelijk blended modelvelden gemaakt, waaronder de oppervlaktetemperaturen van de zee boven de oceanen en de oppervlaktetemperatuur boven land, om overeen te komen met wat er in de observaties wordt gemeten. Deze gemengde velden, weergegeven door de onderbroken lijn in de bovenstaande afbeelding, vertonen iets minder opwarming dan de wereldwijde oppervlaktetemperatuur, omdat modellen de lucht boven de oceaan sneller opwarmen dan de temperatuur van het zeewater in de afgelopen jaren.

Wereldwijde oppervlaktetemperatuur in CMIP5-modellen is 16% sneller opgewarmd dan waarnemingen sinds 1970. Over 40% van dit verschil is te wijten aan luchttemperaturen boven de oceaan die sneller opwarmen dan de temperatuur van het zeewater in de modellen; gemengde modelvelden tonen alleen 9% sneller dan waarnemingen.

A recent document in Nature by Iselin Medhaug en collega's suggereren dat de rest van de divergentie verklaard kan worden door een combinatie van natuurlijke variabiliteit op korte termijn (voornamelijk in de Stille Oceaan), kleine vulkanen en lager dan verwachte zonne-output die niet was opgenomen in modellen in hun 2005-projecties.

Hieronder is een samenvatting van alle modellen waar Carbon Brief naar heeft gekeken. De onderstaande tabel toont het verschil in opwarmsnelheid tussen elk model of reeks modellen en NASA's temperatuurwaarnemingen. Alle observationele temperatuurregistraties zijn redelijk vergelijkbaar, maar NASA's behoren tot de groep die in de afgelopen jaren meer complete wereldwijde dekking omvat en is dus meer direct vergelijkbaar met klimaatmodelgegevens.

Hoe goed hebben klimaatmodellen een globale opwarming geprojecteerd?

* SAR-trendverschillen worden berekend over de periode van 1990-2016, omdat schattingen voorafgaand aan 1990 niet onmiddellijk beschikbaar zijn.
# Verschillen tussen haakjes gebaseerd op gemengde land / oceaan velden

Conclusie

Klimaatmodellen die sinds 1973 zijn gepubliceerd, waren over het algemeen behoorlijk behendig in het projecteren van toekomstige opwarming. Terwijl sommige te laag waren en sommige te hoog, vertonen ze allemaal resultaten die redelijk dicht bij wat er feitelijk is gebeurd, vooral wanneer rekening wordt gehouden met discrepanties tussen voorspelde en werkelijke CO2-concentraties en andere klimaatcorrecties.

Modellen zijn verre van perfect en zullen na verloop van tijd worden verbeterd. Ze laten ook een vrij groot bereik van toekomstige opwarming zien kan niet gemakkelijk worden versmald met alleen de veranderingen in het klimaat die we hebben waargenomen.

Desalniettemin suggereert de nauwe overeenkomst tussen geprojecteerde en geobserveerde opwarming sinds 1970 dat schattingen van toekomstige opwarming op vergelijkbare wijze accuraat kunnen blijken.

Methodologische opmerking

Milieuwetenschapper Dana Nuccitelli behulpzaam een ​​lijst met eerdere model- / observatie-vergelijkingen beschikbaar gesteld hier.. De PlotDigitizer-software werd gebruikt om waarden uit oudere cijfers te verkrijgen wanneer gegevens niet beschikbaar waren. CMIP3- en CMIP5-modeldata werden verkregen van KNMI Climate Explorer.

Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Carbon Briefing

Over de auteur

Zeke Hausfather dekt onderzoek in klimaatwetenschap en energie met een Amerikaanse focus. Zeke heeft masters in milieukunde van de Yale University en de Vrije Universiteit Amsterdam en is doctor in de klimaatwetenschap aan de University of California, Berkeley. Hij heeft de afgelopen 10-jaren doorgebracht als datawetenschapper en ondernemer in de cleantechsector.

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon