Quanto bene i modelli climatici hanno proiettato il riscaldamento globale?

Quanto bene i modelli climatici hanno proiettato il riscaldamento globale?

Gli scienziati hanno fatto proiezioni del futuro riscaldamento globale usando modelli climatici di crescente complessità negli ultimi quarant'anni.

Questi modelli, guidati dalla fisica atmosferica e dalla biogeochimica, svolgono un ruolo importante nella nostra comprensione del clima della Terra e di come cambierà probabilmente in futuro.

Carbon Brief ha raccolto importanti proiezioni sul modello climatico da 1973 per vedere quanto bene proiettano sia le temperature globali passate che quelle future, come mostrato nell'animazione sottostante. (Fare clic sul pulsante di riproduzione per iniziare.)

Mentre alcuni modelli proiettavano meno riscaldamento di quello che abbiamo sperimentato e alcuni proiettavano di più, tutti mostravano aumenti di temperatura superficiale tra 1970 e 2016 che non erano troppo lontani da quanto effettivamente accaduto, specialmente quando si tiene conto delle differenze nelle emissioni future ipotizzate.

Come sono andati i modelli climatici del passato?

Mentre le proiezioni sul modello climatico del passato traggono vantaggio dalla conoscenza delle concentrazioni atmosferiche di gas a effetto serra, eruzioni vulcaniche e altro Forze radiative influenzare il clima della Terra, proiettandosi verso il futuro è comprensibilmente più incerto. I modelli climatici possono essere valutati sia in base alla loro capacità di superare le temperature passate e di prevedere quelle future.

I Hindcast - testare modelli contro le temperature del passato - sono utili perché possono controllare le forzature radiative. Le previsioni sono utili perché i modelli non possono essere sintonizzato implicitamente essere simile alle osservazioni. I modelli climatici sono non adatto alle temperature storichema i modellisti hanno una certa conoscenza delle osservazioni che possono informa la loro scelta of parametrizzazione del modello, come la fisica delle nuvole e gli effetti dell'aerosol.

Negli esempi di seguito, le proiezioni del modello climatico pubblicate tra 1973 e 2013 vengono confrontate con le temperature osservate da cinque diverse organizzazioni. I modelli utilizzati nelle proiezioni variano in complessità, da semplice modelli di bilancio energetico completamente accoppiati Modelli di sistema di terra.


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(Nota: questi confronti modello / osservazione utilizzano un periodo di riferimento di 1970-1990 per allineare osservazioni e modelli durante i primi anni di analisi, che mostra come le temperature si sono evolute nel tempo in modo più chiaro).

Sawyer, 1973

Una delle prime proiezioni del riscaldamento futuro è venuta John Sawyer presso il Met Office del Regno Unito in 1973. In un articolo pubblicato su Nature in 1973, ha ipotizzato che il mondo avrebbe riscaldato 0.6C tra 1969 e 2000 e che CO2 atmosferico sarebbe aumentato di 25%. Sawyer ha sostenuto a sensibilità al clima - quanto riscaldamento a lungo termine si verificherà per il raddoppio dei livelli atmosferici di CO2 - di 2.4C, che non è troppo lontano dal migliore stima di 3C utilizzato oggi dal Gruppo intergovernativo di esperti sul cambiamento climatico (IPCC).

A differenza delle altre proiezioni esaminate in questo articolo, Sawyer non ha fornito un riscaldamento stimato per ogni anno, ma solo un valore 2000 atteso. La sua stima di riscaldamento di 0.6C era quasi azzeccata: il riscaldamento osservato in quel periodo era tra 0.51C e 0.56C. Ha sovrastimato le concentrazioni atmosferiche di CO2000 di 2, tuttavia, supponendo che sarebbero 375-400ppm - rispetto all'attuale valore di 370ppm.

Broecker, 1975

La prima proiezione disponibile delle temperature future dovute al riscaldamento globale è apparsa in un articolo in Scienza in 1975 pubblicato dallo scienziato della Columbia University Prof Wally Broecker. Broecker ha usato un modello di bilancio energetico semplice per stimare cosa accadrebbe alla temperatura della Terra se CO2 atmosferico continuasse ad aumentare rapidamente dopo 1975. Il riscaldamento previsto di Broecker è stato ragionevolmente vicino alle osservazioni per alcuni decenni, ma recentemente è stato considerevolmente più alto.

Ciò è dovuto principalmente al fatto che Broecker sovrastima il modo in cui le emissioni di CO2 e le concentrazioni atmosferiche aumenterebbero dopo la pubblicazione del suo articolo. Era abbastanza preciso fino a 2000, prevedendo 373ppm di CO2 - rispetto alle effettive osservazioni di MaNNAX Loa di 370. In 2016, tuttavia, ha stimato che CO2 sarebbe 424ppm, mentre è stato osservato solo 404 pm.

Broecker inoltre non ha preso in considerazione altri gas serra nel suo modello. Tuttavia, come l'impatto del riscaldamento da metano, ossido nitroso e idrocarburi alogenati è stata in gran parte cancellato dal influenza generale del raffreddamento degli aerosol dal momento che 1970, questo non fa una grande differenza (anche se le stime di forzanti aerosol avere grandi incertezze).

Come con Sawyer, Broecker ha usato una sensibilità climatica di equilibrio di 2.4C per raddoppio di CO2. Broecker ha pensato che la Terra si scaldasse istantaneamente per abbinare l'atmosferica CO2, mentre i modelli moderni spiegano il ritardo tra quanto velocemente l'atmosfera e gli oceani si riscaldano. (L'assorbimento di calore più lento da parte degli oceani viene spesso definito come il "inerzia termica"Del sistema climatico.)

Puoi vedere la sua proiezione (linea nera) confrontata con l'aumento della temperatura osservato (linee colorate) nella tabella qui sotto.

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Riscaldamento previsto da Broecker 1975 (linea nera spessa) rispetto ai record di temperatura osservazionali di NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan e Way e Berkeley Terra (linee colorate sottili) da 1970 a 2020. Periodo di riferimento di 1970-1990. Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

Broecker ha fatto la sua proiezione in un momento in cui gli scienziati hanno ampiamente pensato che le osservazioni ha mostrato un raffreddamento modesto della Terra. Cominciò il suo articolo affermando presumibilmente che "si può affermare che l'attuale tendenza al raffreddamento, entro un decennio circa, darà luogo a un riscaldamento pronunciato indotto dal biossido di carbonio".

Hansen et al, 1981

Della NASA Dott. James Hansen e colleghi pubblicato un documento in 1981 che utilizzava anche un semplice modello di bilancio energetico per proiettare il riscaldamento futuro, ma spiegava l'inerzia termica dovuta al consumo di calore nell'oceano. Hanno assunto una sensibilità climatica di 2.8C per CO2 duplicato, ma hanno anche esaminato una gamma di 1.4-5.6C per raddoppio.

Riscaldamento previsto da Hansen et al 1981 (linea nera a crescita rapida e linea grigia a crescita lenta). Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

Hansen e colleghi hanno presentato una serie di scenari diversi, variando le emissioni future e la sensibilità al clima. Nel grafico qui sopra, è possibile vedere sia lo scenario di "crescita rapida" (linea nera spessa), dove le emissioni di CO2 aumentano di 4% annualmente dopo 1981, sia uno scenario a crescita lenta in cui le emissioni aumentano annualmente di 2% (linea grigia sottile) ). Lo scenario di crescita rapida sovrastima in qualche modo le attuali emissioni, ma quando combinato con una sensibilità al clima leggermente inferiore fornisce una stima del riscaldamento iniziale di 2000 vicino ai valori osservati.

Il tasso globale di riscaldamento tra 1970 e 2016 progettato da Hansen et al. In 1981 nello scenario a crescita rapida è stato di circa il 20% più basso rispetto alle osservazioni.

Hansen et al, 1988

Il ruolo di articolo pubblicato da Hansen e colleghi in 1988 rappresentato uno dei primi modelli climatici moderni. Ha diviso il mondo in celle di griglia discrete di otto gradi di latitudine di 10 gradi di longitudine, con nove strati verticali dell'atmosfera. Comprendeva aerosol, vari gas a effetto serra oltre a CO2 e dinamiche di base del cloud.

Hansen et al. Hanno presentato tre diversi scenari associati a diverse emissioni future di gas serra. Lo scenario B è mostrato nella tabella sottostante come una spessa linea nera, mentre gli scenari A e C sono rappresentati da sottili linee grigie. Lo scenario A ha avuto una crescita esponenziale delle emissioni, con CO2 e altre concentrazioni di GHG notevolmente superiori rispetto ad oggi.

Riscaldamento programmato di Hansen et al 1988 (linea nera dello scenario B e degli scenari A e C sottili linee grigie piene e tratteggiate). Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

Lo scenario B ha assunto un graduale rallentamento delle emissioni di CO2, ma ha avuto concentrazioni di 401ppm in 2016 che erano abbastanza vicini al 404ppm osservato. Tuttavia, lo scenario B presuppone la continua crescita delle emissioni di vari alocarburi che sono potenti gas a effetto serra, ma sono stati successivamente ristretti a protocollo di Montreal di 1987. Lo scenario C aveva emissioni prossime allo zero dopo l'anno 2000.

Dei tre, lo scenario B era il più vicino all'effettiva forzatura radiativa, sebbene ancora circa 10% troppo alto. Hansen et al hanno anche utilizzato un modello con una sensibilità al clima di 4.2C per raddoppio CO2 - nella fascia alta dei modelli climatici più moderni. A causa della combinazione di questi fattori, lo scenario B ha proiettato un tasso di riscaldamento tra 1970 e 2016 che era circa il 30% più alto di quanto osservato.

Primo rapporto di valutazione dell'IPCC, 1990

Gli IPCC Primo rapporto di valutazione (FAR) in 1990 presentavano modelli di bilanciamento dell'energia / upwelling oceanico relativamente semplici per stimare i cambiamenti nelle temperature globali dell'aria. Il loro scenario caratterizzato da business-as-usual (BAU) ha assunto una rapida crescita del CO2 atmosferico, raggiungendo 418ppm CO2 in 2016, rispetto a 404ppm nelle osservazioni. Il FAR ha inoltre ipotizzato una continua crescita delle concentrazioni di alocarburi atmosferici molto più rapidamente di quanto si sia verificato.

Il FAR ha fornito la migliore stima della sensibilità al clima come il riscaldamento 2.5C per il CO2 raddoppiato, con una gamma di 1.5-4.5C. Queste stime vengono applicate allo scenario BAU nella figura seguente, con la linea nera spessa che rappresenta la stima migliore e le linee nere tratteggiate sottili che rappresentano l'estremità alta e bassa dell'intervallo di sensibilità al clima.

Riscaldamento programmato dal primo rapporto di valutazione dell'IPCC (linea nera spessa per proiezione media, con limiti superiori e inferiori mostrati da sottili linee nere tratteggiate). Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

Nonostante una migliore stima della sensibilità al clima un po 'più bassa rispetto all'3C usato oggi, il FAR ha sovrastimato il tasso di riscaldamento tra 1970 e 2016 di circa 17% nel loro scenario BAU, mostrando il riscaldamento di 1C in quel periodo rispetto a 0.85C osservato. Ciò è dovuto principalmente alla proiezione di concentrazioni di CO2 atmosferiche molto più elevate di quanto non sia effettivamente avvenuto.

Secondo rapporto di valutazione dell'IPCC, 1995

Gli IPCC Secondo rapporto di valutazione (SAR) ha pubblicato solo proiezioni prontamente disponibili da 1990 in poi. Hanno usato una sensibilità climatica di 2.5C, con una gamma di 1.5-4.5C. Il loro scenario di emissioni di fascia media, "IS92a", proiettava i livelli di CO2 di 405ppm in 2016, quasi identico alle concentrazioni osservate. La SAR includeva anche un trattamento molto migliore degli aerosol antropogenici, che hanno un effetto di raffreddamento sul clima.
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Progetto di riscaldamento dal secondo rapporto di valutazione dell'IPCC (linea nera spessa per la proiezione media, con i limiti superiore e inferiore mostrati da sottili linee nere tratteggiate). Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

Come potete vedere nel grafico qui sopra, le proiezioni di SAR hanno finito per essere notevolmente inferiori alle osservazioni, riscaldando circa 28% più lentamente nel periodo da 1990 a 2016. Ciò era probabilmente dovuto a una combinazione di due fattori: una sensibilità al clima più bassa rispetto a quella delle stime moderne (2.5C rispetto a 3C) e una sovrastima del forzatura radiativa di CO2 (4.37 watt per metro quadro rispetto a 3.7 utilizzato nel successivo rapporto IPCC e ancora utilizzato oggi).

Rapporto sulla terza valutazione dell'IPCC, 2001

L'IPCC Terza relazione di valutazione (TAR) si è basato sui modelli di circolazione generale atmosfera-oceano (GCM) di sette diversi gruppi di modellizzazione. Hanno anche introdotto una nuova serie di scenari di emissione socioeconomica, chiamati SRES, che includeva quattro diverse traiettorie di emissione future.

Qui, Carbon Brief esamina il Scenario A2, sebbene tutti abbiano emissioni e traiettorie di riscaldamento abbastanza simili fino a 2020. Lo scenario A2 proiettava una concentrazione CO2016 atmosferica 2 di 406 ppm, quasi uguale a quanto osservato. Gli scenari SRES erano da 2000 in poi, con modelli precedenti all'anno 2000 utilizzando forcings storici stimati. La linea grigia tratteggiata nella figura sopra mostra il punto in cui i modelli passano dall'uso delle emissioni e delle concentrazioni osservate a quelle future proiettate.

Riscaldamento programmato dal terzo rapporto di valutazione dell'IPCC (linea nera spessa per proiezione media, con limiti superiori e inferiori mostrati da sottili linee nere tratteggiate). Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

La proiezione del titolo TAR ha usato un modello climatico semplice che è stato configurato per corrispondere ai risultati medi di sette GCM più sofisticati, in quanto non è stata pubblicata nessuna media multimodale specifica nel TAR e i dati per le singole analisi del modello non sono prontamente disponibili. Ha una sensibilità climatica di 2.8C per raddoppio CO2, con una gamma di 1.5-4.5C. Come mostrato nel grafico qui sopra, la velocità di riscaldamento tra 1970 e 2016 nel TAR era inferiore di circa il 14% rispetto a quanto effettivamente osservato.

Quarto rapporto di valutazione dell'IPCC, 2007

Gli IPCC Quarta relazione di valutazione (AR4) ha caratterizzato modelli con dinamica atmosferica significativamente migliorata e risoluzione del modello. Ha fatto un uso maggiore dei modelli del sistema terrestre - che incorporano la biogeochimica dei cicli del carbonio - e ha migliorato le simulazioni dei processi di superficie e ghiaccio.

AR4 ha utilizzato gli stessi scenari SRES del TAR, con emissioni storiche e concentrazioni atmosferiche fino all'anno 2000 e proiezioni successive. I modelli utilizzati in AR4 presentavano una sensibilità al clima media di 3.26C, con una gamma di 2.1C fino a 4.4C.

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Progetto di riscaldamento dal quarto rapporto di valutazione dell'IPCC (linea nera spessa per proiezione media, limite superiore e inferiore di due sigma mostrati da sottili linee nere tratteggiate). Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

La figura sopra mostra le esecuzioni del modello per lo scenario A1B (che è l'unico scenario con le esecuzioni del modello prontamente disponibili, sebbene le sue concentrazioni 2016 CO2 siano quasi identiche a quelle dello scenario A2). Le proiezioni AR4 tra 1970 e 2016 mostrano un riscaldamento abbastanza vicino alle osservazioni, solo 8% più alto.

Quinto rapporto di valutazione dell'IPCC, 2013

Il rapporto IPCC più recente: il Quinta valutazione (AR5) - ha caratterizzato ulteriori perfezionamenti sui modelli climatici, nonché una modesta riduzione dell'incertezza futura del modello rispetto a AR4. I modelli climatici dell'ultimo rapporto dell'IPCC facevano parte del Accoppiamento del modello Intercomparison Project 5 (CMIP5), dove dozzine di diversi gruppi di modellazione in tutto il mondo hanno eseguito modelli climatici utilizzando lo stesso insieme di input e scenari.

Progetto di riscaldamento dal quinto rapporto di valutazione dell'IPCC (linea nera spessa per proiezione media, limiti superiore e inferiore di due sigma mostrati da sottili linee nere tratteggiate). La linea nera tratteggiata mostra i campi del modello miscelato. Chart by Carbon Brief utilizzando Highcharts.

AR5 ha introdotto una nuova serie di futuri scenari di concentrazione di gas a effetto serra, noti come Percorsi di concentrazione Rappresentante (RCP). Questi hanno proiezioni future da 2006 in poi, con dati storici precedenti a 2006. La linea tratteggiata grigia nella figura sopra mostra dove i modelli passano dall'uso delle forcings osservate alle forcings future proiettate.

Il confronto di questi modelli con le osservazioni può essere a esercizio un po 'complicato. I campi più usati dai modelli climatici sono le temperature globali dell'aria in superficie. Tuttavia, le temperature osservate provengono da temperature dell'aria superficiale rispetto alle temperature della superficie terrestre e marina sopra l'oceano.

Per spiegare ciò, più recentemente, i ricercatori hanno creato campi modello misto, che includono le temperature superficiali del mare oltre gli oceani e le temperature dell'aria superficiale rispetto alla terra, al fine di far corrispondere ciò che è effettivamente misurato nelle osservazioni. Questi campi miscelati, mostrati dalla linea tratteggiata nella figura sopra, mostrano un riscaldamento leggermente inferiore rispetto alle temperature dell'aria superficiale globale, poiché i modelli hanno l'aria sull'oceano che si riscalda più velocemente rispetto alla temperatura della superficie del mare negli ultimi anni.

Le temperature globali dell'aria in superficie nei modelli CMIP5 si sono riscaldate di circa il 16% più rapidamente delle osservazioni da 1970. A proposito di 40% di questa differenza è dovuto alle temperature dell'aria oltre oceano che si riscaldano più velocemente rispetto alle temperature superficiali del mare nei modelli; i campi dei modelli combinati mostrano solo il riscaldamento di 9% più velocemente delle osservazioni.

A recente articolo su Nature by Iselin Medhaug e colleghi suggeriscono che il resto della divergenza può essere rappresentato da una combinazione di variabilità naturale a breve termine (principalmente nell'Oceano Pacifico), piccoli vulcani e produzione solare inferiore al previsto che non è stata inclusa nei modelli nei loro Proiezioni 2005.

Di seguito è riportato un riepilogo di tutti i modelli che Carbon Brief ha esaminato. La tabella seguente mostra la differenza nella velocità di riscaldamento tra ciascun modello o set di modelli e Della NASA osservazioni di temperatura. Tutte le registrazioni delle temperature osservative sono abbastanza simili, ma la NASA è tra i gruppi che includono una copertura globale più completa negli ultimi anni ed è quindi più direttamente comparabile ai dati del modello climatico.

Quanto bene i modelli climatici hanno proiettato il riscaldamento globale?

* Le differenze di andamento SAR sono calcolate sul periodo da 1990-2016, in quanto le stime precedenti a 1990 non sono prontamente disponibili.
# Differenze tra parentesi basate su campi modello misto terra / oceano

Conclusione

I modelli climatici pubblicati da 1973 sono stati generalmente abbastanza abili nel progettare il riscaldamento futuro. Mentre alcuni erano troppo bassi e alcuni troppo alti, tutti mostrano risultati ragionevolmente vicini a ciò che è effettivamente accaduto, specialmente quando si tiene conto delle discrepanze tra le concentrazioni di CO2 previste e reali e altre forzanti climatiche.

I modelli sono tutt'altro che perfetti e continueranno a essere migliorati nel tempo. Mostrano anche una gamma abbastanza ampia di riscaldamento futuro non può essere facilmente ridotto usando solo i cambiamenti climatici che abbiamo osservato.

Tuttavia, la stretta corrispondenza tra il riscaldamento proiettato e osservato dal momento che 1970 suggerisce che le stime del riscaldamento futuro potrebbero dimostrarsi altrettanto accurate.

Nota metodologica

Scienziato ambientale Dana Nuccitelli è stato utile fornire un elenco dei confronti del modello / osservazione precedenti, disponibili qui. Software PlotDigitizer è stato utilizzato per ottenere valori da figure precedenti quando i dati non erano altrimenti disponibili. I dati del modello CMIP3 e CMIP5 sono stati ottenuti da KNMI Climate Explorer.

Questo articolo è originariamente apparso su Carbon Brief

Circa l'autore

Zeke Hausfather copre la ricerca in scienze del clima ed energia con un focus negli Stati Uniti. Zeke ha conseguito un master in scienze ambientali presso la Yale University e la Vrije Universiteit di Amsterdam e sta completando un dottorato in scienze climatiche all'Università della California, a Berkeley. Ha trascorso gli ultimi anni di 10 lavorando come scienziato dei dati e imprenditore nel settore del cleantech.

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