Naukowcy robili prognozy dotyczące przyszłego globalnego ocieplenia, wykorzystując modele klimatyczne o coraz większej złożoności przez ostatnie cztery dekady.
Modele te, oparte na fizyce atmosfery i biogeochemii, odgrywają ważną rolę w naszym zrozumieniu klimatu Ziemi i jego prawdopodobnych zmian w przyszłości.
Carbon Brief zbiera ważne prognozy modeli klimatycznych od 1973 roku, aby zobaczyć, jak dobrze prognozują zarówno przeszłe, jak i przyszłe globalne temperatury, jak pokazano na poniższej animacji. (Kliknij przycisk odtwarzania, aby rozpocząć.)
Podczas gdy niektóre modele przewidywały mniejsze ocieplenie, niż my doświadczyliśmy, a inne więcej, wszystkie wykazały wzrost temperatury powierzchni w latach 1970-2016, który nie był zbyt odległy od tego, co faktycznie miało miejsce, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę różnice w zakładanych przyszłych emisjach.
Jak radziły sobie poprzednie modele klimatyczne?
Podczas gdy prognozy modeli klimatycznych z przeszłości korzystają z wiedzy o stężeniach gazów cieplarnianych w atmosferze, erupcjach wulkanów i innych siły promieniujące wpływ na klimat Ziemi, wybieganie w przyszłość jest, co zrozumiałe, bardziej niepewne. Modele klimatyczne można oceniać zarówno pod kątem ich zdolności do przewidywania przeszłych temperatur, jak i prognozowania przyszłych.
Hindcasts – testowanie modeli w porównaniu z przeszłymi temperaturami – są przydatne, ponieważ mogą kontrolować wymuszenia radiacyjne. Prognozy są przydatne, ponieważ modele nie mogą być niejawnie dostrojony być podobny do obserwacji. Modele klimatyczne są nie pasuje do historycznych temperatur, ale modelarze mają pewną wiedzę na temat obserwacji, które mogą poinformować o swoim wyborze of parametryzacje modeli, takie jak fizyka chmur i efekty aerozolowe.
W poniższych przykładach porównano prognozy modeli klimatycznych opublikowane w latach 1973-2013 z obserwowanymi temperaturami z pięć różnych organizacji. Modele użyte w projekcjach różnią się stopniem skomplikowania, od prostych modele bilansu energetycznego do pełnego sprzężenia Modele systemu uziemienia.
(Zauważ, że te porównania modelu/obserwacji wykorzystują okres bazowy 1970-1990, aby dopasować obserwacje i modele we wczesnych latach analizy, co wyraźniej pokazuje, jak temperatury ewoluowały w czasie).
Sawyera, 1973
Pojawiła się jedna z pierwszych prognoz przyszłego ocieplenia John Sawyer w brytyjskim Met Office w 1973 roku artykuł opublikowany w Nature w 1973 roku postawił hipotezę, że między 0.6 a 1969 rokiem świat ociepli się o 2000°C, a poziom CO2 w atmosferze wzrośnie o 25%. Sawyer opowiadał się za wrażliwość na klimat – o ile nastąpi długoterminowe ocieplenie przy podwojeniu poziomu CO2 w atmosferze – o 2.4°C, co nie jest zbyt odległe od najlepsze oszacowanie 3C używanego obecnie przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu (IPCC).
W przeciwieństwie do innych prognoz przeanalizowanych w tym artykule, Sawyer nie podał szacunkowego ocieplenia dla każdego roku, tylko oczekiwaną wartość z 2000 roku. Jego oszacowanie ocieplenia na poziomie 0.6°C było niemal trafione – zaobserwowane ocieplenie w tym okresie wynosiło od 0.51°C do 0.56°C. Przeszacował jednak stężenia CO2000 w atmosferze z 2 roku, zakładając, że wyniosą one 375-400 ppm – w stosunku do rzeczywistych wartość 370ppm.
Broeckera, 1975
Pierwsza dostępna prognoza przyszłych temperatur spowodowanych globalnym ociepleniem pojawiła się w an artykuł w nauka w 1975 roku opublikowane przez naukowca z Columbia University profesora Wally'ego Broeckera. Broecker użył prosty model bilansu energetycznego oszacować, co stałoby się z temperaturą Ziemi, gdyby po 2 r. CO1975 w atmosferze nadal gwałtownie rosło. Prognozowane przez Broeckera ocieplenie było dość zbliżone do obserwacji z kilku dekad, ale ostatnio było znacznie wyższe.
Wynika to głównie z przeszacowania przez Broeckera wzrostu emisji CO2 i stężenia w atmosferze po opublikowaniu jego artykułu. Do 2000 roku był dość dokładny, przewidując 373 ppm CO2 – w porównaniu z rzeczywistymi obserwacjami Mauna Loa wynoszącymi 370 ppm. W 2016 roku oszacował jednak, że CO2 wyniesie 424 ppm, podczas gdy zaobserwowano tylko 404 pm.
Broecker nie wziął również pod uwagę innych gazów cieplarnianych w swoim modelu. Jednakże, jako wpływ ocieplenia od metan, podtlenek azotu i węglowodory został w dużej mierze odwołane przez ogólny chłodzący wpływ aerozoli od 1970 r. nie robi to tak dużej różnicy (chociaż szacunki wymuszeń aerozolowych mają duże niepewności).
Podobnie jak w przypadku Sawyera, Broecker zastosował równowagową czułość klimatyczną równą 2.4°C na podwojenie CO2. Broecker założył, że Ziemia natychmiast się nagrzewa, aby dorównać atmosferycznemu CO2, podczas gdy nowoczesne modele uwzględniają opóźnienie między szybkością ocieplenia atmosfery i oceanów. (Wolny pobór ciepła przez oceany jest często określany jako „bezwładność cieplna” systemu klimatycznego.)
Możesz zobaczyć jego projekcję (czarna linia) w porównaniu z obserwowanym wzrostem temperatury (kolorowe linie) na poniższym wykresie.
<br />
Przewidywane ocieplenie z Broecker 1975 (gruba czarna linia) w porównaniu z obserwacyjnymi zapisami temperatury z NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan and Way, Berkeley Ziemi (cienkie kolorowe linie) od 1970 do 2020. Okres bazowy 1970-1990. Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Broecker dokonał swojej projekcji w czasie, gdy naukowcy powszechnie uważali, że obserwacje wykazało umiarkowane ochłodzenie na Ziemi. Rozpoczął swój artykuł proroczym stwierdzeniem, że „można postawić mocne argumenty, że obecny trend ochładzania ustąpi w ciągu mniej więcej dekady wyraźnemu ociepleniu wywołanemu przez dwutlenek węgla”.
Hansen i in., 1981
NASA doktora Jamesa Hansena i współpracownicy opublikował artykuł w 1981 r., który również wykorzystał prosty model bilansu energetycznego do prognozowania przyszłego ocieplenia, ale uwzględnił bezwładność cieplną spowodowaną pochłanianiem ciepła przez ocean. Założyli wrażliwość klimatyczną na poziomie 2.8°C na podwojenie CO2, ale przyjrzeli się również zakresowi 1.4-5.6°C na podwojenie.
Przewidywane ocieplenie z Hansena i wsp. 1981 (szybki wzrost – gruba czarna linia – i powolny wzrost – cienka szara linia). Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Hansen i współpracownicy przedstawili szereg różnych scenariuszy, różniących się przyszłymi emisjami i wrażliwością klimatyczną. Na powyższym wykresie widać zarówno scenariusz „szybkiego wzrostu” (gruba czarna linia), w którym emisje CO2 rosną o 4% rocznie po 1981 r., jak i scenariusz powolnego wzrostu, w którym emisje rosną o 2% rocznie (cienka szara linia ). Scenariusz szybkiego wzrostu nieco przeszacowuje obecne emisje, ale w połączeniu z nieco niższą wrażliwością klimatyczną zapewnia szacunkowe ocieplenie na początku XXI wieku bliskie obserwowanym wartościom.
Ogólne tempo ocieplenia w latach 1970-2016 przewidywane przez Hansena i in. w 1981 r. w scenariuszu szybkiego wzrostu było o około 20% niższe niż obserwacje.
Hansen i in., 1988
Połączenia artykuł opublikowany przez Hansena i współpracowników w 1988 roku reprezentował jeden z pierwszych nowoczesnych modeli klimatu. Podzielił świat na dyskretne komórki siatki o ośmiu stopniach szerokości geograficznej i 10 stopniach długości geograficznej, z dziewięcioma pionowymi warstwami atmosfery. Obejmował aerozole, oprócz CO2 różne gazy cieplarniane oraz podstawową dynamikę chmur.
Hansen i wsp. przedstawili trzy różne scenariusze związane z różnymi przyszłymi emisjami gazów cieplarnianych. Scenariusz B jest pokazany na poniższym wykresie jako gruba czarna linia, podczas gdy scenariusze A i C są pokazane cienkimi szarymi liniami. Scenariusz A zakładał wykładniczy wzrost emisji, ze stężeniem CO2 i innych gazów cieplarnianych znacznie wyższymi niż obecnie.
Przewidywane ocieplenie z Hansena i wsp. 1988 (scenariusz B – gruba czarna linia – oraz scenariusze A i C – cienkie ciągłe i przerywane szare linie). Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Scenariusz B zakładał stopniowe wyhamowanie emisji CO2, ale miał stężenia ok 401 ppm w 2016 roku które były bardzo zbliżone do Zaobserwowano 404 ppm. Jednak scenariusz B zakładał dalszy wzrost emisji różnych halowęglowodorów, które są silnymi gazami cieplarnianymi, ale zostały następnie ograniczone na mocy Protokół montrealski z 1987 r. Scenariusz C przewidywał emisje bliskie zeru po roku 2000.
Spośród tych trzech scenariusz B był najbliższy faktycznemu wymuszeniu radiacyjnemu, choć nadal o jakieś 10% za dużo. Hansen i wsp. wykorzystali również model o czułości klimatycznej 4.2°C na podwojenie CO2 – na najwyższym poziomie większości nowoczesnych modeli klimatycznych. Ze względu na połączenie tych czynników scenariusz B przewidywał tempo ocieplenia w latach 1970-2016, które było o około 30% wyższe niż to, co zaobserwowano.
Pierwszy raport oceniający IPCC, 1990
IPCC Raport z pierwszej oceny (FAR) w 1990 roku zawierał stosunkowo proste modele bilansu energetycznego / dyfuzji upwellingu w oceanach w celu oszacowania zmian globalnych temperatur powietrza. Przedstawiony przez nich scenariusz „business-as-usual” (BAU) zakładał szybki wzrost atmosferycznego CO2, osiągając 418 ppm CO2 w 2016 r., w porównaniu do 404 ppm w obserwacjach. FAR zakładał również dalszy wzrost stężenia halowęglowodorów w atmosferze znacznie szybciej, niż to miało miejsce w rzeczywistości.
FAR dał najlepsze oszacowanie wrażliwości klimatu jako ocieplenie o 2.5°C przy podwojeniu CO2, w zakresie 1.5-4.5°C. Szacunki te odnoszą się do scenariusza BAU na poniższym rysunku, przy czym gruba czarna linia reprezentuje najlepsze oszacowanie, a cienkie przerywane czarne linie reprezentują górną i dolną granicę zakresu wrażliwości klimatycznej.
Przewidywane ocieplenie z pierwszego raportu oceniającego IPCC (średnia projekcja – gruba czarna linia, z górnymi i dolnymi granicami pokazanymi cienkimi kropkowanymi czarnymi liniami). Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Pomimo najlepszego oszacowania wrażliwości klimatu nieco niższej niż stosowane obecnie 3C, FAR przeszacował tempo ocieplenia między 1970 a 2016 rokiem o około 17% w swoim scenariuszu BAU, pokazując ocieplenie o 1C w tym okresie w porównaniu z obserwowanym 0.85C. Wynika to głównie z prognozy znacznie wyższych stężeń CO2 w atmosferze, niż miało to miejsce w rzeczywistości.
Drugi raport oceniający IPCC, 1995
IPCC Drugie sprawozdanie z oceny (SAR) publikował tylko łatwo dostępne prognozy od 1990 r. Użyli czułości klimatycznej 2.5°C, z zakresem 1.5-4.5°C. Ich scenariusz emisji średniego zasięgu, „IS92a”, przewidywał poziomy CO2 na poziomie 405 ppm w 2016 r., prawie identyczne z obserwowanymi stężeniami. SAR obejmował również znacznie lepsze traktowanie aerozoli antropogenicznych, które mają wpływ na ochłodzenie klimatu.
<br />
Przewidywane ocieplenie z drugiego raportu oceniającego IPCC (średnia projekcja – gruba czarna linia, z górnymi i dolnymi granicami pokazanymi cienkimi kropkowanymi czarnymi liniami). Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Jak widać na powyższym wykresie, prognozy SAR okazały się znacznie niższe niż obserwacje, ocieplając się o około 28% wolniej w okresie od 1990 do 2016 r. Było to prawdopodobnie spowodowane połączeniem dwóch czynników: niższej wrażliwości klimatu niż stwierdzono we współczesnych szacunkach (2.5 ° C w porównaniu z 3 ° C) i przeszacowanie wymuszanie radiacyjne CO2 (4.37 wata na metr kwadratowy w porównaniu z 3.7 użytymi w kolejnym raporcie IPCC i nadal używanymi).
Trzeci raport oceniający IPCC, 2001
IPCC Trzeci raport oceniający (TAR) opierał się na modelach ogólnej cyrkulacji atmosfery i oceanów (GCM) z siedmiu różnych grup modelowania. Wprowadzili także nowy zestaw społeczno-ekonomicznych scenariuszy emisji, tzw SRES, który obejmował cztery różne przyszłe trajektorie emisji.
Tutaj Carbon Brief analizuje Scenariusz A2, chociaż wszystkie mają dość podobne trajektorie emisji i ocieplenia do 2020 r. Scenariusz A2 przewidywał stężenie CO2016 w atmosferze w 2 r. na poziomie 406 ppm, czyli prawie tyle samo, co zaobserwowano. Scenariusze SRES powstawały od 2000 r., a modele sprzed 2000 r. wykorzystywały szacunkowe wymuszenia historyczne. Przerywana szara linia na powyższym rysunku pokazuje punkt, w którym modele przechodzą od wykorzystywania zaobserwowanych emisji i stężeń do przewidywanych przyszłych.
Przewidywane ocieplenie z trzeciego raportu oceniającego IPCC (średnia projekcja – gruba czarna linia, z górnymi i dolnymi granicami pokazanymi cienkimi kropkowanymi czarnymi liniami). Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Projekcja nagłówkowa TAR wykorzystywała prosty model klimatu, który został skonfigurowany tak, aby pasował do średnich wyników siedmiu bardziej zaawansowanych GCM, ponieważ w TAR nie opublikowano żadnej konkretnej średniej dla wielu modeli, a dane dla poszczególnych przebiegów modeli nie są łatwo dostępne. Ma czułość klimatyczną 2.8C na podwojenie CO2, w zakresie 1.5-4.5C. Jak pokazano na powyższym wykresie, tempo ocieplenia w latach 1970-2016 w TRA było o około 14% niższe niż to, co faktycznie zaobserwowano.
Czwarty raport oceniający IPCC, 2007
IPCC Czwarty raport oceniający (AR4) zawierał modele ze znacznie poprawioną dynamiką atmosferyczną i rozdzielczością modelu. W większym stopniu wykorzystano modele systemów Ziemi — które uwzględniają biogeochemię cykli węglowych — a także udoskonalono symulacje powierzchni lądów i procesów lodowych.
AR4 wykorzystał te same scenariusze SRES, co TAR, z historycznymi emisjami i stężeniami atmosferycznymi do roku 2000 oraz prognozami na lata późniejsze. Modele zastosowane w AR4 miały średnią czułość klimatyczną 3.26°C, w zakresie od 2.1°C do 4.4°C.
<br />
Przewidywane ocieplenie z Czwartego Raportu Oceniającego IPCC (średnia projekcja – gruba czarna linia, górne i dolne granice dwóch sigma pokazane cienkimi kropkowanymi czarnymi liniami). Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
Powyższy rysunek przedstawia przebiegi modelowe dla scenariusza A1B (który jest jedynym scenariuszem z łatwo dostępnymi przebiegami modelowymi, chociaż jego stężenia CO2016 w 2 r. są prawie identyczne jak w scenariuszu A2). Prognozy AR4 między 1970 a 2016 rokiem pokazują ocieplenie dość zbliżone do obserwacji, tylko o 8% wyższe.
Piąty raport oceniający IPCC, 2013 r
Najnowszy raport IPCC – pt Piąta ocena (AR5) – zawierał dodatkowe udoskonalenia modeli klimatycznych, a także niewielką redukcję przyszłej niepewności modelu w porównaniu z AR4. Modele klimatyczne w najnowszym raporcie IPCC były częścią Projekt wzajemnego porównania modeli sprzężonych 5 (CMIP5), gdzie dziesiątki różnych grup zajmujących się modelowaniem na całym świecie prowadziły modele klimatyczne przy użyciu tego samego zestawu danych wejściowych i scenariuszy.
Przewidywane ocieplenie z piątego raportu oceniającego IPCC (średnia projekcja – gruba czarna linia, górne i dolne granice dwóch sigma pokazane cienkimi kropkowanymi czarnymi liniami). Przerywana czarna linia pokazuje mieszane pola modelu. Wykres według Carbon Brief za pomocą Highcharts.
AR5 wprowadził nowy zestaw przyszłych scenariuszy stężenia gazów cieplarnianych, znany jako Reprezentatywne ścieżki koncentracji (RCP). Zawierają one przyszłe prognozy począwszy od 2006 r., z danymi historycznymi sprzed 2006 r. Szara przerywana linia na powyższym rysunku pokazuje, gdzie modele przechodzą od stosowania obserwowanych wymuszeń do przewidywanych przyszłych wymuszeń.
Porównanie tych modeli z obserwacjami może być trochę trudne ćwiczenie. Najczęściej używanymi zmiennymi z modeli klimatu są globalne temperatury powierzchni powietrza. Jednak obserwowane temperatury pochodzą z temperatur powierzchni powietrza nad lądem i temperatur powierzchni morza nad oceanem.
Aby to wyjaśnić, ostatnio naukowcy stworzyli mieszane pola modelowe, które obejmują temperatury powierzchni mórz nad oceanami i temperatury powietrza przy powierzchni nad lądem, aby dopasować to, co faktycznie zmierzono w obserwacjach. Te mieszane pola, pokazane linią przerywaną na powyższym rysunku, pokazują nieco mniejsze ocieplenie niż globalne temperatury powietrza przy powierzchni, ponieważ modele pokazują, że powietrze nad oceanem ociepla się szybciej niż temperatura powierzchni morza w ostatnich latach.
Globalne temperatury powierzchni powietrza w modelach CMIP5 ocieplały się o około 16% szybciej niż obserwacje od 1970 r. Około 40% tej różnicy wynika z szybszego ocieplenia się temperatur powietrza nad oceanem niż temperatur powierzchni morza w modelach; mieszane pola modelu pokazują ocieplenie tylko o 9% szybciej niż obserwacje.
A najnowszy artykuł w Nature by Iselin Medhaug i współpracownicy sugerują, że pozostałą część rozbieżności można wytłumaczyć kombinacją krótkoterminowej naturalnej zmienności (głównie na Oceanie Spokojnym), małych wulkanów i niższej niż oczekiwano mocy słonecznej, która nie została uwzględniona w modelach w ich post- prognozy z 2005 r.
Poniżej znajduje się podsumowanie wszystkich modeli, którym przyglądał się Carbon Brief. Poniższa tabela pokazuje różnicę w szybkości nagrzewania się poszczególnych modeli lub zestawów modeli i NASA obserwacje temperatury. Wszystkie obserwacyjne zapisy temperatury są dość podobne, ale NASA należy do grupy, która obejmuje pełniejszy globalny zasięg w ostatnich latach, a zatem jest bardziej bezpośrednio porównywalna z danymi modelu klimatycznego.
* Różnice w trendach SAR obliczono dla okresu 1990-2016, ponieważ szacunki sprzed 1990 r. nie są łatwo dostępne.
# Różnice w nawiasach oparte na mieszanych polach modelowych ląd/ocean
Wnioski
Modele klimatyczne publikowane od 1973 roku były na ogół dość umiejętne w przewidywaniu przyszłego ocieplenia. Chociaż niektóre były zbyt niskie, a inne zbyt wysokie, wszystkie pokazują wyniki dość zbliżone do rzeczywistych, zwłaszcza gdy weźmie się pod uwagę rozbieżności między przewidywanymi a rzeczywistymi stężeniami CO2 i innymi wymuszeniami klimatycznymi.
Modele są dalekie od doskonałości i będą z czasem ulepszane. Pokazują też dość duży zakres przyszłego ocieplenia nie da się łatwo zawęzić wykorzystując tylko zaobserwowane przez nas zmiany klimatu.
Niemniej jednak bliskie dopasowanie przewidywanego i obserwowanego ocieplenia od 1970 r. sugeruje, że szacunki dotyczące przyszłego ocieplenia mogą okazać się podobnie dokładne.
Nota metodologiczna
Naukowiec środowiska Dana Nuccitelli pomocnie dostarczył listę dostępnych porównań modeli/obserwacji z przeszłości tutaj, Oprogramowanie PlotDigitizer był używany do uzyskiwania wartości ze starszych danych, gdy dane nie były dostępne w inny sposób. Dane modelu CMIP3 i CMIP5 uzyskano z KNMI Climate Explorer.
Artykuł pierwotnie pojawił się na Carbon Carbon Brief
O autorze
Zeke Hausfather zajmuje się badaniami nad naukami klimatycznymi i energią, koncentrując się na USA. Zeke posiada tytuł magistra nauk o środowisku na Uniwersytecie Yale i Vrije Universiteit Amsterdam oraz doktorat z nauk o klimacie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Ostatnie lata 10 spędził pracując jako informatyk i przedsiębiorca w sektorze czystych technologii.
Powiązane książki
at Rynek wewnętrzny i Amazon
