Kuinka hyvin ilmastomallit ennustavat maailmanlaajuista lämpenemistä?

Kuinka hyvin ilmastomallit ennustavat maailmanlaajuista lämpenemistä?

Tutkijat ovat ennustaneet tulevaa ilmaston lämpenemistä käyttämällä ilmastomalleja, joiden monimutkaisuus on kasvanut neljän viime vuosikymmenen ajan.

Näillä malleilla, joita ohjaavat ilmakehän fysiikka ja biogeokemia, on tärkeä rooli ymmärryksessä maapallon ilmastosta ja siitä, miten se todennäköisesti muuttuu tulevaisuudessa.

Carbon Brief on kerännyt merkittäviä ilmastomallin ennusteita 1973: n jälkeen, jotta voidaan nähdä, kuinka hyvin he ennustavat sekä menneitä että tulevia maailmanlaajuisia lämpötiloja, kuten alla olevassa animaatiossa on esitetty. (Napsauta toistopainiketta aloittaaksesi.)

Vaikka jotkin mallit ennustivat vähemmän lämmitystä kuin olemme kokeneet ja jotkut ennustivat enemmän, kaikki osoittivat pintalämpötilan nousua 1970in ja 2016in välillä, jotka eivät olleet liian kaukana siitä, mitä todellisuudessa tapahtui, varsinkin kun erot oletetuissa tulevissa päästöissä otetaan huomioon.

Miten aikaisemmat ilmastomallit ovat menneet?

Vaikka ilmastomalli ennustaa aikaisemmin, niistä saadaan tietoa ilmakehän kasvihuonekaasupitoisuuksista, tulivuorenpurkauksista ja muista säteilyaltistukset Maapallon ilmastoon vaikuttaminen, tulevaisuuteen suuntautuminen on ymmärrettävästi epävarmaa. Ilmastomalleja voidaan arvioida sekä niiden kyvyn takia ohittaa aikaisemmat lämpötilat että ennustaa tulevia lämpötiloja.

Hindcast-testit - testimallit aiempien lämpötilojen suhteen - ovat hyödyllisiä, koska ne voivat ohjata säteileviä käpyjä. Ennusteet ovat hyödyllisiä, koska mallit eivät voi olla epäsuorasti viritetty samanlainen kuin havainnot. Ilmastomallit ovat ei sovi historialliseen lämpötilaanmutta mallinnajilla on jonkin verran tietoa havainnoista ilmoittaa valinnastaan of malliparametrit, kuten pilvifysiikka ja aerosolivaikutukset.

Alla olevissa esimerkeissä 1973: n ja 2013: n välillä julkaistut ilmastomallin ennusteet verrataan havaituista lämpötiloista viisi eri organisaatiota. Projektioissa käytettävät mallit vaihtelevat monimutkaisuuden mukaan energian tasapainomalleja täysin kytketty Earth System -mallit.


Hanki viimeisin InnerSelfistä


(Huomaa, että nämä mallin / havaintojen vertailut käyttävät 1970-1990: n perusajanjaksoa havaintojen ja mallien yhdenmukaistamiseksi analyysin alkuvuosina, mikä osoittaa, miten lämpötilat ovat kehittyneet ajan mittaan selkeämmin.)

Sawyer, 1973

Yksi ensimmäisistä ennusteista tulevasta lämpenemisestä tuli John Sawyer Ison-Britannian Met Office -palvelussa 1973issa. Jonkin sisällä julkaisussa Nature 1973issa hän oletti, että maailma lämpenisi 0.6C: tä 1969: n ja 2000: n välillä ja että ilmakehän CO2 kasvaisi 25%: lla. Sawyer väitti a ilmastoherkkyys - kuinka paljon pitkäaikaista lämpenemistä tapahtuu ilmakehän CO2-tasojen kaksinkertaistumisen - 2.4C: n, joka ei ole liian kaukana paras arvio 3C: n, jota hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli (IPCC) käyttää tänään.

Toisin kuin muut tässä artikkelissa tarkastellut ennusteet, Sawyer ei toimittanut arvioitua lämpenemistä joka vuosi, vain odotettu 2000-arvo. Hänen 0.6C: n lämpenemisestimaatti oli lähes paikallaan - havaittu lämmitys tänä aikana oli 0.51C: n ja 0.56C: n välillä. Hän yliarvioi vuoden 2000in ilmakehän CO2-pitoisuudet kuitenkin olettaen, että ne olisivat 375-400ppm - verrattuna todelliseen arvo 370ppm.

Broecker, 1975

Ensimmäinen ilmaston lämpenemisestä johtuva tulevien lämpötilojen ennuste ilmestyi artikkeli vuonna tiede 1975 julkaisi Columbian yliopiston tiedemiehen Prof Wally Broecker. Broecker käytti a yksinkertainen energiatasapainomalli arvioida, mitä tapahtuisi maapallon lämpötilaan, jos ilmakehän CO2in kasvu jatkuisi nopeasti 1975in jälkeen. Broeckerin ennustettu lämpeneminen oli kohtuullisen lähellä havaintoja muutaman vuosikymmenen ajan, mutta viime aikoina se on ollut huomattavasti suurempi.

Tämä johtuu lähinnä Broeckerin yliarvioinnista, kuinka CO2-päästöt ja ilmakehän pitoisuudet lisääntyvät sen julkaisemisen jälkeen. Hän oli melko tarkka 2000: iin asti, ennustamalla 373ppm CO2ia - verrattuna todellisiin Mauna Loa-havaintoihin 370ppm. 2016issa hän kuitenkin arvioi, että CO2 olisi 424ppm, kun taas vain 404 pm on havaittu.

Broecker ei myöskään ottanut mallissaan huomioon muita kasvihuonekaasuja. Kuitenkin, kun lämpeneminen vaikuttaa metaani, typpioksidi ja Halogeenihiilivetyjen on suurelta osin peruutettu mukaan aerosolien kokonaisjäähdytysvaikutus 1970: n jälkeen tämä ei tee suurta eroa (vaikka arviot aerosoleista on suuria epävarmuustekijöitä).

Samoin kuin Sawyer, Broecker käytti 2.4C: n tasapainoilmastoherkkyyttä CO2: n kaksinkertaistumisen suhteen. Broecker oletti, että Maa lämpenee välittömästi ilmakehän CO2: in mukaiseksi, kun taas nykyaikaiset mallit aiheuttavat viiveen siitä, kuinka nopeasti ilmapiiri ja valtameret lämpenevät. (Merien hitaampaa talteenottoa kutsutaan usein "terminen inertia”Ilmasto-järjestelmän.)

Voit nähdä hänen projektio (musta viiva) verrattuna havaittuun lämpötilan nousuun (värilliset viivat) alla olevassa kaaviossa.

<br />

Ennustettu lämpeneminen Broecker 1975: sta (paksu musta viiva) verrattuna havaintolämpötilarekisteriin NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan ja Wayja Berkeley Maan (ohuet väriset viivat) 1970ista 2020iin. 1970-1990in perusjakso. Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

Broecker teki ennusteensa silloin, kun tutkijat ajattelivat laajalti, että havainnot osoitti vaatimattoman jäähdytyksen maasta. Hän aloitti artikkelinsa varovasti toteamalla, että "voimme todeta, että nykyinen jäähdytyskehitys antaa vuosikymmenen kuluessa muutoksen hiilidioksidin aiheuttamaan voimakkaaseen lämpenemiseen".

Hansen et ai., 1981

NASAn Tohtori James Hansen ja kollegat julkaisi paperin 1981issa, jossa käytettiin myös yksinkertaista energiatasapainomallia tulevaisuuden lämpenemisen suunnittelemiseksi, mutta se johtui meren lämmöntuotannosta johtuvasta lämpöinertiasta. He ottivat 2.8C: n ilmastoherkkyyden CO2: n kaksinkertaistamiseksi, mutta katsoivat myös 1.4-5.6C: n vaihteluväliä kaksinkertaiseksi.

Ennustettu lämpeneminen Hansen et al 1981ilta (nopea kasvu - paksu musta viiva ja hidas kasvu - ohut harmaa viiva). Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

Hansen ja kollegat esittivät useita erilaisia ​​skenaarioita, vaihtelevia tulevia päästöjä ja ilmaston herkkyyttä. Yllä olevassa kaaviossa näet sekä "nopean kasvun" skenaarion (paksu musta viiva), jossa CO2-päästöt kasvavat 4-prosentilla vuosittain 1981in jälkeen, ja hitaasti kasvava skenaario, jossa päästöt kasvavat 2: lla vuosittain (ohut harmaa viiva) ). Nopeasti kasvava skenaario yliarvioi jonkin verran nykyisiä päästöjä, mutta yhdistettynä hieman alhaisempaan ilmastoherkkyyteen se antaa arvion varhaisesta 2000: ien lämpenemisestä lähellä havaittuja arvoja.

Yleinen lämpenemismäärä 1970: n ja 2016: n välillä, jonka Hansen et ai. 1981: ssa ennustaa nopean kasvun skenaariossa, on ollut noin 20% alempi kuin havainnot.

Hansen et ai., 1988

Det julkaistu Hansen ja 1988in kollegat olivat yksi ensimmäisistä moderneista ilmastomalleista. Se jakoi maailman kahdeksan asteen leveysasteisiin erillisiin ruudukkoihin 10-asteen pituudella, yhdeksän pystysuoran ilmakerroksen kanssa. Se sisälsi aerosoleja, erilaisia ​​kasvihuonekaasuja CO2in lisäksi sekä perustason pilvidynamiikkaa.

Hansen et al esittivät kolme eri skenaariota, jotka liittyvät erilaisiin kasvihuonekaasujen tuleviin päästöihin. Skenaario B esitetään alla olevassa kaaviossa paksuna mustana viivana, kun taas skenaariot A ja C näkyvät ohuilla harmailla viivoilla. Skenaarion A päästöt kasvoivat eksponentiaalisesti, ja CO2 ja muut kasvihuonekaasupitoisuudet kasvoivat huomattavasti nykyistä enemmän.

Ennustettu lämpeneminen Hansen et al 1988ilta (skenaario B - paksu musta viiva - ja skenaariot A ja C – ohut kiinteät ja katkoviivaiset harmaat viivat). Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

Skenaariossa B otettiin huomioon CO2-päästöjen asteittainen hidastuminen, mutta sen pitoisuudet olivat noin 401ppm 2016issa jotka olivat melko lähellä 404ppm havaittiin. Skenaariossa B otettiin kuitenkin huomioon halogeenihiilivetyjen, jotka ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, päästöjen jatkuva kasvu, mutta niitä rajoitettiin myöhemmin Montrealin pöytäkirja 1987. Skenaariossa C päästöt olivat lähes nollaan vuoden 2000 jälkeen.

Kolmesta skenaariosta B oli lähinnä todellista säteilyä pakottavaa, mutta silti noin 10% liian korkea. Hansen et al käytti myös mallia, jonka ilmastoherkkyys 4.2C: lle oli kaksinkertaistunut CO2: iin - modernimpien ilmastomallien huippuluokassa. Näiden tekijöiden yhdistelmän vuoksi skenaario B ennusti 1970: n ja 2016: n välistä lämpenemistä, joka oli noin 30% suurempi kuin havaittu.

IPCC: n ensimmäinen arviointiraportti, 1990

IPCC: n Ensimmäinen arviointiraportti (FAR) 1990issa oli suhteellisen yksinkertainen energian tasapaino / nouseva diffuusion valtamerimalli, jonka avulla voidaan arvioida ilmaston lämpötilamuutoksia. Niiden tavanomainen (BAU) -skenaario otti ilmakehän CO2in nopean kasvun 418ppm CO2: iin 2016: ssa verrattuna 404ppmiin havainnoissa. FAR oletti myös, että ilmakehän halogeenihiilipitoisuuksien kasvu jatkuu huomattavasti nopeammin kuin on tapahtunut.

FAR antoi parhaan arvion ilmastoherkkyydestä, kun 2.5C lämpenee kaksinkertaistuneelle CO2: lle, jossa on useita 1.5-4.5C: tä. Näitä arvioita sovelletaan BAU-skenaarioon alla olevassa kuvassa, jossa paksu musta viiva edustaa parasta estimaattia ja ohuita katkoviivaisia ​​viivoja, jotka edustavat ilmaston herkkyysalueen korkeaa ja matalia päätä.

Ennustettu lämmitys IPCC: n ensimmäisestä arviointiraportista (keskimääräinen projektio-paksu musta viiva, jossa ylä- ja alarajat on esitetty ohuilla katkoviivalla). Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

Huolimatta parhaasta arviosta ilmastoherkkyydestä, joka on nykyään alhaisempi kuin 3C, FAR yliarvioi 1970: n ja 2016: n välisen lämpenemisen nopeuden noin 17%: lla BAU-skenaariossaan. Tämä johtuu lähinnä paljon suuremmista CO1-pitoisuuksista, jotka ovat todellisuudessa tapahtuneet.

IPCC: n toinen arviointiraportti, 1995

IPCC: n Toinen arviointikertomus (SAR) julkaisi vain helposti saatavilla olevat ennusteet 1990ista eteenpäin. He käyttivät 2.5C: n ilmastoherkkyyttä vaihtelevalla 1.5-4.5C: llä. Niiden keskitason päästöskenaario ”IS92a”, 2ppin ennustettu CO405-taso 2016issa, lähes sama kuin havaitut pitoisuudet. SAR: iin sisältyi myös paljon parempi antropogeenisten aerosolien käsittely, joilla on jäähdytysvaikutus ilmastoon.
<br />

Ennustettu lämmitys IPCC: n toisesta arviointiraportista (keskimääräinen projektio-paksu musta viiva, jossa ylä- ja alarajat on esitetty ohuilla katkoviivalla). Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

Kuten edellä olevasta kaaviosta näet, SAR: n ennusteet olivat huomattavasti pienempiä kuin havainnot, lämpenemällä 28%: lla hitaammin 1990: sta 2016: iin. Tämä johtui todennäköisesti kahden tekijän yhdistelmästä: alhaisempi ilmastoherkkyys kuin nykyisissä arvioissa (2.5C vs. 3C) ja yliarviointi CO2-säteilyn pakottaminen (4.37 wattia neliömetriä kohden, kun käytetään seuraavaa IPCC: n raporttia ja jota käytetään edelleen tänään).

IPCC: n kolmas arviointiraportti, 2001

IPCC Kolmas arviointikertomus (TAR) perustui seitsemän eri mallintoryhmän ilmakehään ja valtameren yleisiin levitysmalleihin (GCM). He esittelivät myös uuden sosioekonomisten päästöskenaarioiden joukon SRES, johon sisältyi neljä erilaista tulevaa päästöreittiä.

Tässä Carbon Brief tutkii A2-skenaarioVaikka kaikilla on melko samanlaiset päästö- ja lämpenemisreitit jopa 2020: iin asti. A2-skenaario ennusti 2016-ppm: n 2-ilmakehän CO406-konsentraation, joka on lähes sama kuin havaittu. SRES-skenaariot olivat 2000: sta lähtien, mallit ennen vuotta 2000 käyttäen arvioituja historiallisia etuja. Yllä olevassa kuvassa katkennut harmaa viiva osoittaa, missä vaiheessa mallinnetaan siirtyminen havaittujen päästöjen ja pitoisuuksien käyttämisestä ennustettuihin tuleviin.

Ennustettu lämpeneminen IPCC: n kolmannesta arviointiraportista (keskimääräinen projektio-paksu musta viiva, jossa ylä- ja alarajat on esitetty ohuilla katkoviivalla). Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

TAR: n otsikkoennusteessa käytettiin yksinkertaista ilmastomallia, joka oli konfiguroitu vastaamaan seitsemän kehittyneemmän GCM: n keskimääräistä tuotosta, koska TAR: ssä ei julkaistu erityistä monimuotoista keskiarvoa eikä yksittäisten mallien tietoja ole helposti saatavilla. Se on 2.8C: n ilmastoherkkyys CO2: n kaksinkertaistamiselle, jossa on 1.5-4.5C: n alue. Kuten yllä olevasta kaaviosta käy ilmi, 1970: n ja 2016: n välinen lämpenemisnopeus TAR: ssä oli noin 14% alempi kuin mitä todellisuudessa on havaittu.

IPCC: n neljäs arviointiraportti, 2007

IPCC: n Neljäs arviointikertomus (AR4) -mallit, joiden ilmakehän dynamiikka ja mallintarkkuus ovat huomattavasti paremmat. Se käytti enemmän maapallon järjestelmämalleja, jotka sisältävät hiilen syklien biogeokemian, sekä maanpinnan ja jään prosessien parannettuja simulaatioita.

AR4 käytti samat SRES-skenaariot kuin TAR, historialliset päästöt ja ilmakehän pitoisuudet vuoteen 2000 saakka ja ennusteet sen jälkeen. AR4-mallissa käytettyjen mallien keskimääräinen ilmastoherkkyys 3.26C: lle oli 2.1C: n ja 4.4C: n välillä.

<br />

Suunniteltu lämpeneminen IPCC: n neljännestä arviointiraportista (keskimääräinen projektio-paksu musta viiva, kahden sigman ylempi ja alempi raja, jotka on esitetty ohuilla katkoviivoilla). Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

Yllä oleva kuva esittää A1B-skenaarion mallia (joka on ainoa skenaario, jossa malli toimii helposti, vaikka sen 2016 CO2-konsentraatiot ovat lähes identtiset A2-skenaarion kanssa). AR4 ennustaa 1970: n ja 2016: n välissä, että lämmitys on melko lähellä havaintoja, vain 8% suurempi.

IPCC: n viides arviointiraportti, 2013

IPCC: n viimeisin raportti - Viides arviointi (AR5) - ilmestyi ilmastomallien lisäparannuksia sekä mallien vähäinen epävarmuus AR4iin verrattuna. IPCC: n viimeisimmän raportin ilmastomallit olivat osa Yhdistetty mallihanke 5 (CMIP5), jossa kymmeniä eri mallintoryhmiä ympäri maailmaa käyttivät ilmastomalleja käyttäen samoja syötteitä ja skenaarioita.

Suunniteltu lämpeneminen IPCC: n viidennestä arviointiraportista (keskimääräinen projektio - paksu musta viiva, kahden sigman ylempi ja alempi raja, jotka on esitetty ohuilla katkoviivoilla). Katkoviiva musta viiva näyttää yhdistetyt mallikentät. Kaavio Carbon Briefin avulla Highcharts.

AR5 esitteli uudet kasvihuonekaasupitoisuuksien skenaariot, joita kutsutaan nimellä Edustavat keskittymisreitit (RCP). Näillä on tulevia ennusteita 2006ista lähtien, historialliset tiedot ennen 2006ia. Yllä olevassa kuvassa oleva harmaa katkoviiva osoittaa, missä malleissa siirrytään havaittujen hyökkäysten käyttämisestä ennustettuihin tuleviin hyökkäyksiin.

Näiden mallien vertailu havainnoihin voi olla a hieman hankala harjoitus. Ilmastomallien useimmin käytetyt kentät ovat maailmanlaajuiset pintalämpötilat. Kuitenkin havaitut lämpötilat tulevat maanpinnan ja meren pinnan lämpötilojen yli merenpinnan lämpötiloista.

Tätä silmällä pitäen tutkijat ovat viime aikoina luoneet yhdistettyjä mallikenttiä, jotka sisältävät meren pintalämpötiloja valtamerien yli ja pintaveden lämpötiloja maan päällä, jotta ne vastaisivat todellisuudessa mitattuja. Nämä yhdistetyt kentät, jotka näkyvät katkoviivalla edellä olevassa kuvassa, osoittavat hieman vähemmän lämpenemistä kuin maailmanlaajuiset pintalämpötilat, koska malleilla on viime vuosina merenpinnan lämpötilaa nopeampi ilma.

CMIP5-malleissa olevat maailmanlaajuiset pintaveden lämpötilat ovat lämmenneet noin 16% nopeammin kuin havainnot vuodesta 1970. Noin 40% tästä erosta johtuu merenpinnan lämpötiloista, jotka lämpenevät meren pinnan lämpötiloissa malleissa; sekoitusmallikentät osoittavat lämmitystä 9 vain nopeammin kuin havainnot.

A viimeinen paperi luonnossa by Iselin Medhaug ja kollegat ehdottavat, että jäljellä oleva ero voi johtua lyhytaikaisen luonnollisen vaihtelun yhdistelmästä (lähinnä Tyynellämerellä), pienistä tulivuorista ja odotettua pienemmästä aurinkoenergiasta, jota ei sisällytetty malleihin niiden 2005-projektiot.

Alla on yhteenveto kaikista malleista, joita Carbon Brief on tarkastellut. Seuraavassa taulukossa on esitetty kunkin mallin tai mallien joukon lämmitysnopeuden ero NASAn lämpötilan havainnot. Kaikki havainnointilämpötilarekisterit ovat melko samankaltaisia, mutta NASAn joukossa on viime vuosina kattavampi maailmanlaajuinen kattavuus ja se on siten suoraan vertailukelpoinen ilmastomallin tietoihin.

Kuinka hyvin ilmastomallit ennustavat maailmanlaajuista lämpenemistä?

* SAR-trendierot lasketaan 1990-2016-jakson aikana, koska 1990-arvoa edeltävät arviot eivät ole helposti saatavilla.
# Erot sulkeissa, jotka perustuvat sekamallin maa- / valtamerikenttiin

Yhteenveto

Ilmastomallit, jotka on julkaistu 1973in jälkeen, ovat yleensä olleet melko taitavia tulevan lämpenemisen suunnittelussa. Vaikka jotkut olivat liian pieniä ja jotkut liian korkeat, ne kaikki osoittivat tuloksia kohtuullisen lähellä tosiasiallisesti tapahtunutta, varsinkin kun otetaan huomioon erot ennustettujen ja todellisten CO2-pitoisuuksien ja muiden ilmastonmuutosten välillä.

Mallit ovat kaukana täydellisistä ja paranevat edelleen ajan mittaan. Niissä näkyy myös melko laaja valikoima tulevaisuuden lämpenemistä ei voi helposti kaventaa käyttämällä vain ilmastonmuutoksia, joita olemme havainneet.

Kuitenkin 1970in ennustetun ja havaitun lämpenemisen välinen läheinen yhteensopivuus viittaa siihen, että tulevan lämmityksen arviot voivat osoittautua samankaltaisiksi.

Metodologinen huomautus

Ympäristötutkija Dana Nuccitelli hyödyllisesti annettiin luettelo aikaisemmista mallin / havaintojen vertailuista tässä. PlotDigitizer-ohjelmisto käytettiin arvojen saamiseksi vanhemmista luvuista, kun tietoja ei ollut muuten saatavilla. CMIP3- ja CMIP5-mallitiedot saatiin osoitteesta KNMI Climate Explorer.

Tämä artikkeli on alun perin ilmestynyt Carbon Brief

Author

Zeke Hausfather kattaa ilmastotieteen ja energian tutkimuksen Yhdysvalloissa. Zeke on suorittanut Yale-yliopiston ja Vrije Universiteit Amsterdamin ympäristötieteiden maisteritutkintoja, ja hän suorittaa tohtorin tutkinnon Kalifornian yliopistossa, Berkeleyssä. Hän on viettänyt viimeiset 10-vuotta työskentelemään tietotieteilijänä ja yrittäjänä cleantech-alalla.

Liittyvät kirjat

{amazonWS: searchindex = Kirjat; avainsanat = ilmastomallinnus; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

seuraa InnerSelfia

facebook-kuvakeTwitter-kuvakeRSS-kuvake

Hanki uusimmat sähköpostitse

{Emailcloak = off}