Wie gut haben Klimamodelle die globale Erwärmung projiziert?

Wie gut haben Klimamodelle die globale Erwärmung projiziert?

Wissenschaftler haben in den letzten vier Jahrzehnten Projektionen für die zukünftige globale Erwärmung mit Klimamodellen zunehmender Komplexität durchgeführt.

Diese von der Atmosphärenphysik und der Biogeochemie getriebenen Modelle spielen eine wichtige Rolle für unser Verständnis des Klimas der Erde und wie es sich voraussichtlich in der Zukunft ändern wird.

Carbon Brief hat seit 1973 prominente Klimamodellprojektionen gesammelt, um zu sehen, wie gut sie sowohl vergangene als auch zukünftige globale Temperaturen projizieren, wie in der Animation unten gezeigt. (Klicken Sie auf die Wiedergabeschaltfläche, um zu beginnen.)

Während einige Modelle weniger Erwärmung als wir erwartet hatten und andere mehr projizierten, zeigten alle bei 1970 und 2016 einen Anstieg der Oberflächentemperatur, der nicht zu weit von dem tatsächlichen Zustand entfernt war, insbesondere wenn Unterschiede bei den angenommenen zukünftigen Emissionen berücksichtigt wurden.

Wie haben sich die Klimamodelle der Vergangenheit entwickelt?

Während Klimamodellprojektionen der Vergangenheit von der Kenntnis der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen, von Vulkanausbrüchen usw. profitieren Strahlungsantriebe Das Klima der Erde zu beeinflussen, in die Zukunft zu schauen, ist verständlicherweise unsicherer. Klimamodelle können sowohl auf ihre Fähigkeit, vergangene Temperaturen zu hindern, als auch auf zukünftige Temperaturen prognostiziert werden.

Hindcasts - das Testen von Modellen gegen vergangene Temperaturen - sind nützlich, da sie Strahlungsantriebe steuern können. Prognosen sind hilfreich, da Modelle nicht möglich sind implizit abgestimmt Beobachtungen ähnlich sein. Klimamodelle sind nicht für historische Temperaturen geeignet, aber Modellbauer haben einige Kenntnisse über Beobachtungen, die dies können informieren ihre Wahl of Modellparametrierungenwie Wolkenphysik und Aerosoleffekte.

In den folgenden Beispielen werden Klimamodellprojektionen, die zwischen 1973 und 2013 veröffentlicht wurden, mit den beobachteten Temperaturen aus verglichen fünf verschiedene organisationen. Die in den Projektionen verwendeten Modelle unterscheiden sich in ihrer Komplexität von einfachen Energiebilanzmodelle voll gekuppelt Erdsystemmodelle.

(Beachten Sie, dass diese Modell- / Beobachtungsvergleiche eine Basisperiode von 1970-1990 verwenden, um Beobachtungen und Modelle in den frühen Jahren der Analyse aufeinander abzustimmen, was zeigt, wie sich die Temperaturen im Laufe der Zeit klarer entwickelt haben.)

Sawyer, 1973

Eine der ersten Projektionen der zukünftigen Erwärmung kam aus John Sawyer im britischen Met Office in 1973. In einem in Nature veröffentlichtes Papier In 1973 vermutete er, dass die Welt 0.6C zwischen 1969 und 2000 erwärmen würde und dass atmosphärisches CO2 um 25% zunehmen würde. Sawyer argumentierte für eine Klimasensitivität - Wie viel Langzeiterwärmung wird pro Verdoppelung der atmosphärischen CO2-Werte auftreten - von 2.4C, der nicht zu weit von dem entfernt ist beste Schätzung 3C, das heute vom zwischenstaatlichen Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) eingesetzt wird.

Im Gegensatz zu den anderen in diesem Artikel untersuchten Projektionen hat Sawyer nicht für jedes Jahr eine geschätzte Erwärmung angegeben, sondern lediglich einen erwarteten 2000-Wert. Seine Einschätzung der Erwärmung von 0.6C war beinahe zutreffend - die beobachtete Erwärmung lag in diesem Zeitraum zwischen 0.51C und 0.56C. Er überschätzte die atmosphärischen CO2000-Konzentrationen im Jahr 2, ging jedoch davon aus, dass es sich um 375-400ppm handelte - im Vergleich zum tatsächlichen Wert Wert von 370ppm.

Broecker, 1975

Die erste verfügbare Projektion zukünftiger Temperaturen aufgrund der globalen Erwärmung erschien in einer Artikel in Wissenschaft in 1975 veröffentlicht von der Columbia University Wissenschaftler Prof. Wally Broecker. Broecker benutzte a einfaches Energiebilanzmodell zu schätzen, was mit der Temperatur der Erde passieren würde, wenn das atmosphärische CO2 nach 1975 weiter rasch ansteigen würde. Broeckers projizierte Erwärmung war für einige Jahrzehnte einigermaßen nahe an den Beobachtungen, war jedoch in letzter Zeit erheblich höher.

Dies liegt vor allem daran, dass Broecker überschätzt, wie die CO2-Emissionen und die atmosphärischen Konzentrationen nach der Veröffentlichung seines Artikels ansteigen würden. Er war ziemlich genau bis 2000 und sagte 373ppm von CO2 voraus - verglichen mit den tatsächlichen Mauna Loa-Beobachtungen von 370ppm. In 2016 schätzte er jedoch, dass CO2 424ppm wäre, während nur 404 pm wurde beobachtet.

Auch andere Treibhausgase berücksichtigte Broecker in seinem Modell nicht. Wie jedoch die Erwärmung aus Methan, Lachgas und Halogenkohlenwasserstoffe wurde weitgehend aufgehoben bis zum allgemeiner kühlender Einfluss von Aerosolen seit 1970 macht dies keinen so großen Unterschied (obwohl Schätzungen von Aerosol-Forcings haben große Unsicherheiten).

Wie bei Sawyer verwendete Broecker eine Gleichgewichtsklimaempfindlichkeit von 2.4C pro Verdoppelung von CO2. Broecker ging davon aus, dass sich die Erde sofort auf atmosphärisches CO2 erwärmt, während moderne Modelle für die Verzögerung zwischen der Erwärmung der Atmosphäre und der Ozeane verantwortlich sind. (Die langsamere Wärmeaufnahme durch die Ozeane wird oft alsthermische Trägheit”Des Klimasystems.)

Sie können seine Projektion (schwarze Linie) im Vergleich zum beobachteten Temperaturanstieg (farbige Linien) in der folgenden Tabelle sehen.

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Projizierte Erwärmung von Broecker 1975 (dicke schwarze Linie) im Vergleich zu beobachteten Temperaturaufzeichnungen von NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan und Way, und Berkeley Erde (dünne farbige Linien) von 1970 bis 2020. Grundlinienzeitraum von 1970-1990. Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Broecker machte seine Projektion zu einer Zeit, als Wissenschaftler die Beobachtungen weithin meinten zeigte eine bescheidene Abkühlung der Erde. Er begann seinen Artikel mit einer vorgeblichen Behauptung, dass "ein starker Fall gemacht werden kann, dass der gegenwärtige Abkühlungstrend innerhalb eines Jahrzehnts einer starken Erwärmung durch Kohlendioxid weichen wird".

Hansen et al., 1981

NASA Dr. James Hansen und Kollegen veröffentlichte ein Papier In 1981 wurde auch ein einfaches Energiebilanzmodell verwendet, um die zukünftige Erwärmung zu projizieren, wobei jedoch die thermische Trägheit aufgrund der Wärmeaufnahme des Ozeans berücksichtigt wurde. Sie nahmen eine Klimasensitivität von 2.8C pro Verdoppelung von CO2 an, betrachteten jedoch auch eine Reihe von 1.4-5.6C pro Verdoppelung.

Projizierte Erwärmung von Hansen ua 1981 (schnelles Wachstum - dicke schwarze Linie - und langsames Wachstum - dünne graue Linie). Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Hansen und seine Kollegen stellten eine Reihe verschiedener Szenarien vor, die zukünftige Emissionen und die Klimasensitivität variierten. In der obigen Grafik sehen Sie sowohl das Szenario mit schnellem Wachstum (dicke schwarze Linie), bei dem die CO2-Emissionen nach 4 jährlich um 1981% steigen, als auch ein Szenario mit langsamem Wachstum, bei dem die Emissionen jährlich um 2% steigen (dünne graue Linie) ). Das Szenario mit schnellem Wachstum überschätzt die aktuellen Emissionen etwas, aber in Kombination mit einer etwas niedrigeren Klimasensitivität wird eine Abschätzung der frühen 2000-Erwärmung nahe an den beobachteten Werten angegeben.

Die Gesamterwärmungsrate zwischen 1970 und 2016, die von Hansen et al. In 1981 für das schnelle Wachstum projiziert wurde, war etwa um 20% niedriger als die Beobachtungen.

Hansen et al., 1988

Die Papier veröffentlicht von Hansen und seinen Kollegen in 1988 repräsentierte eines der ersten modernen Klimamodelle. Sie unterteilt die Welt in diskrete Gitterzellen mit einem Breitengrad von acht Grad nach 10-Längengrad mit neun vertikalen Schichten der Atmosphäre. Dazu gehörten Aerosole, verschiedene Treibhausgase neben CO2 und grundlegende Wolkendynamik.

Hansen et al. Präsentierten drei verschiedene Szenarien, die mit den zukünftigen Treibhausgasemissionen in Zusammenhang stehen. Szenario B ist in der folgenden Tabelle als dicke schwarze Linie dargestellt, während die Szenarien A und C durch dünne graue Linien dargestellt sind. Szenario A wies ein exponentielles Emissionswachstum auf, wobei CO2 und andere THG-Konzentrationen erheblich höher waren als heute.

Projizierte Erwärmung von Hansen ua 1988 (Szenario B - dicke schwarze Linie - und Szenario A und C - dünne durchgezogene und gestrichelte graue Linien). Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Szenario B ging von einer allmählichen Verlangsamung der CO2-Emissionen aus, hatte jedoch Konzentrationen von 401ppm in 2016 das war ziemlich nah an der 404ppm wurde beobachtet. In Szenario B wurde jedoch davon ausgegangen, dass die Emissionen verschiedener Halogenkohlenstoffe, die starke Treibhausgase sind, weiter zunehmen, jedoch später unter dem Begriff "Emissionen" eingeschränkt wurden Montreal-Protokoll von 1987. In Szenario C gingen die Emissionen nach dem Jahr 2000 gegen null.

Von den drei war das Szenario B dem tatsächlichen Strahlungsantrieb zwar am nächsten, jedoch immer noch am nächsten ungefähr 10% zu hoch. Hansen et al verwendeten auch ein Modell mit einer Klimasensitivität von 4.2C pro verdoppeltem CO2 - am oberen Ende der meisten modernen Klimamodelle. Aufgrund der Kombination dieser Faktoren wurde in Szenario B eine Erwärmungsrate zwischen 1970 und 2016 projiziert, die etwa 30% höher war als die beobachtete.

Erster IPCC-Bewertungsbericht, 1990

Die IPCC's Erster Bewertungsbericht (FAR) in 1990 enthielt relativ einfache Ozeanmodelle für die Energiebilanz / Aufwärtsdiffusion, um Änderungen der globalen Lufttemperaturen abzuschätzen. Ihr spezielles Business-as-usual-Szenario (BAU) unterstellte ein rasches Wachstum des atmosphärischen CO2 und erreichte 418ppm CO2 in 2016 im Vergleich zu 404ppm in Beobachtungen. Die FAR ging auch davon aus, dass das Wachstum der atmosphärischen Halocarbon-Konzentrationen wesentlich schneller ansteigt als tatsächlich stattgefunden hat.

Die FAR gab eine beste Schätzung der Klimasensitivität als 2.5C-Erwärmung für verdoppeltes CO2 mit einer Reihe von 1.5-4.5C. Diese Schätzungen werden auf das BAU-Szenario in der folgenden Abbildung angewendet, wobei die dicke schwarze Linie die beste Schätzung und die dünnen gestrichelten schwarzen Linien das obere und untere Ende des Klimasensitivitätsbereichs darstellen.

Projizierte Erwärmung aus dem IPCC First Assessment Report (mittlere Projektion - dicke schwarze Linie, wobei die oberen und unteren Grenzen durch dünne gepunktete schwarze Linien dargestellt sind). Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Trotz einer besten Schätzung der Klimasensitivität, die ein wenig unter der heute verwendeten 3C lag, überschätzte die FAR die Erwärmungsrate zwischen 1970 und 2016 in ihrem BAU-Szenario um etwa 17%, was eine Erwärmung von 1C in diesem Zeitraum gegenüber der beobachteten 0.85C darstellt. Dies ist vor allem auf die Projektion von wesentlich höheren atmosphärischen CO2-Konzentrationen als tatsächlich zurückzuführen.

Zweiter IPCC-Bewertungsbericht, 1995

Die IPCC's Zweiter Bewertungsbericht (SAR) veröffentlichte nur verfügbar verfügbare Projektionen ab 1990. Sie verwendeten eine Klimasensitivität von 2.5C mit einer Reihe von 1.5-4.5C. In ihrem Emissionsszenario im mittleren Bereich, „IS92a“, wurden CO2-Gehalte an 405ppm in 2016 prognostiziert, die mit den beobachteten Konzentrationen nahezu identisch waren. SAR beinhaltete auch eine wesentlich bessere Behandlung anthropogener Aerosole, die sich kühlend auf das Klima auswirken.
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Projizierte Erwärmung aus dem zweiten IPCC-Bewertungsbericht (mittlere Projektion - dicke schwarze Linie, wobei die oberen und unteren Grenzen durch dünne gepunktete schwarze Linien dargestellt sind). Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Wie Sie in der Grafik oben sehen können, fielen die SAR-Prognosen deutlich niedriger aus als die Beobachtungen. Die Erwärmung um 28% wurde im Zeitraum von 1990 zu 2016 langsamer. Dies war wahrscheinlich auf eine Kombination zweier Faktoren zurückzuführen: eine niedrigere Klimasensitivität als in modernen Schätzungen (2.5C vs. 3C) und eine Überbewertung der Strahlungsantrieb von CO2 (4.37 Watt pro Quadratmeter im Vergleich zu 3.7, das im nachfolgenden IPCC-Bericht verwendet wurde und noch heute verwendet wird).

Dritter Bewertungsbericht des IPCC, 2001

Das IPCC Dritter Bewertungsbericht (TAR) stützte sich auf allgemeine Atmosphären-Ozean-Zirkulationsmodelle (GCMs) aus sieben verschiedenen Modellierungsgruppen. Sie führten auch eine Reihe neuer sozioökonomischer Emissionsszenarien ein SRES, die vier verschiedene zukünftige Emissionspfade enthielt.

Hier untersucht Carbon Brief die A2-Szenario, obwohl alle ziemlich ähnliche Emissions- und Erwärmungsverläufe bis hin zu 2020 haben. Im A2-Szenario wurde eine atmosphärische 2016-CO2-Konzentration von 406-ppm projiziert, die nahezu dieselbe war wie die beobachtete. Die SRES-Szenarien wurden ab 2000 erstellt, wobei Modelle vor dem Jahr 2000 geschätzte historische Forcings verwendeten. Die gestrichelte graue Linie in der obigen Abbildung zeigt den Punkt, an dem Modelle von der Verwendung der beobachteten Emissionen und Konzentrationen zu den projizierten zukünftigen übergehen.

Projizierte Erwärmung aus dem dritten IPCC-Bewertungsbericht (mittlere Projektion - dicke schwarze Linie, wobei die oberen und unteren Grenzen durch dünne gepunktete schwarze Linien dargestellt sind). Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Die Projektion der Schlagzeile von TAR verwendete ein einfaches Klimamodell, das so konfiguriert wurde, dass es mit den durchschnittlichen Leistungen von sieben anspruchsvolleren GCMs übereinstimmt, da kein spezifischer Multimodell-Durchschnitt in TAR veröffentlicht wurde und Daten für einzelne Modellläufe nicht ohne weiteres verfügbar sind. Es hat eine Klimasensitivität von 2.8C pro verdoppelter CO2 mit einer Reihe von 1.5-4.5C. Wie in der Tabelle oben gezeigt, war die Erwärmungsrate zwischen 1970 und 2016 in der TAR etwa 14% niedriger als die tatsächlich beobachtete.

Vierter IPCC-Bewertungsbericht, 2007

Die IPCC's Vierter Bewertungsbericht (AR4) enthielt Modelle mit deutlich verbesserter atmosphärischer Dynamik und Modellauflösung. Erdsystemmodelle - die die Biogeochemie von Kohlenstoffkreisläufen einbeziehen - sowie verbesserte Simulationen von Landoberflächen- und Eisprozessen wurden stärker genutzt.

AR4 verwendete die gleichen SRES-Szenarien wie die TAR mit historischen Emissionen und atmosphärischen Konzentrationen bis zum Jahr 2000 und danach Prognosen. Die in AR4 verwendeten Modelle hatten eine durchschnittliche Klimasensitivität von 3.26C mit einer Reihe von 2.1C bis 4.4C.

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Projizierte Erwärmung aus dem Vierten IPCC-Bewertungsbericht (mittlere Projektion - dicke schwarze Linie, zwei Sigma-Ober- und Untergrenzen, dargestellt durch dünne gepunktete schwarze Linien). Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Die Abbildung oben zeigt Modellläufe für das A1B-Szenario (das einzige Szenario, in dem Modellläufe verfügbar sind, obwohl die 2016 CO2-Konzentrationen nahezu identisch mit denen des A2-Szenarios sind). AR4-Projektionen zwischen 1970 und 2016 zeigen eine Erwärmung ziemlich nahe an Beobachtungen, nur um 8% höher.

Fünfter Bewertungsbericht des IPCC, 2013

Der neueste IPCC-Bericht - der Fünfte Bewertung (AR5) - Im Vergleich zu AR4 wurden weitere Verfeinerungen der Klimamodelle vorgenommen und die zukünftige Modellunsicherheit geringfügig reduziert. Die Klimamodelle im neuesten IPCC - Bericht waren Teil des Kopplungsmodell-Vergleichsprojekt 5 (CMIP5), wo Dutzende verschiedener Modellierungsgruppen auf der ganzen Welt Klimamodelle mit den gleichen Eingaben und Szenarien durchführten.

Projizierte Erwärmung aus dem Fünften IPCC-Bewertungsbericht (mittlere Projektion - dicke schwarze Linie, zwei Sigma-Ober- und Untergrenzen, dargestellt durch dünne gepunktete schwarze Linien). Eine gestrichelte schwarze Linie zeigt gemischte Modellfelder. Diagramm von Carbon Brief mit Highcharts.

Mit AR5 wurde eine neue Reihe zukünftiger Szenarien für die Konzentration von Treibhausgasen eingeführt Repräsentative Konzentration Pathways (RCPs). Diese haben zukünftige Prognosen ab 2006, wobei historische Daten vor 2006 liegen. Die graue gestrichelte Linie in der Abbildung oben zeigt, wo Modelle von der Verwendung beobachteter Forcings auf geplante zukünftige Forcings übergehen.

Der Vergleich dieser Modelle mit Beobachtungen kann a etwas knifflige Übung. Die am häufigsten verwendeten Felder von Klimamodellen sind globale Oberflächentemperaturen. Die beobachteten Temperaturen kommen jedoch von der Oberflächentemperatur der Luft über dem Meer und der Oberflächentemperatur des Meeres.

Um dies zu berücksichtigen, haben die Forscher in jüngster Zeit gemischte Modellfelder erstellt, die Meeresoberflächentemperaturen über den Ozeanen und Oberflächentemperaturen über Land einschließen, um mit dem tatsächlich gemessenen Messfeld übereinzustimmen. Diese gemischten Felder, die in der obigen Abbildung durch die gestrichelte Linie dargestellt sind, weisen eine etwas geringere Erwärmung als die globalen Oberflächentemperaturen auf, da sich die Luft über den Ozeanen schneller erwärmt als die Meeresoberflächentemperaturen der letzten Jahre.

Die globalen Oberflächentemperaturen der CMIP5-Modelle haben sich seit 16 um etwa 1970% schneller erwärmt als Beobachtungen. Ungefähr 40% dieses Unterschieds ist auf Lufttemperaturen über dem Meer zurückzuführen, die sich schneller erwärmen als die Meeresoberflächentemperaturen in den Modellen; gemischte Modellfelder zeigen nur eine Erwärmung von 9% schneller als Beobachtungen.

A kürzlich erschienene Arbeit in Nature by Iselin Medhaug und Kollegen schlagen vor, dass der Rest der Divergenz durch eine Kombination aus kurzfristiger natürlicher Variabilität (hauptsächlich im Pazifischen Ozean), kleinen Vulkanen und einer unter den Erwartungen liegenden Sonnenleistung, die in den Modellen nicht enthalten war, erklärt werden kann. 2005-Projektionen.

Nachfolgend finden Sie eine Übersicht aller Modelle, die Carbon Brief betrachtet hat. Die folgende Tabelle zeigt den Unterschied in der Erwärmungsrate zwischen den einzelnen Modellen oder Modellsätzen und NASA Temperaturbeobachtungen. Alle Temperaturaufzeichnungen für Beobachtungen sind ziemlich ähnlich, aber die NASA gehört zu der Gruppe, die in den letzten Jahren eine umfassendere globale Abdeckung umfasst und daher direkter mit Klimamodelldaten vergleichbar ist.

Wie gut haben Klimamodelle die globale Erwärmung projiziert?

* SAR-Trendunterschiede werden über den Zeitraum von 1990-2016 berechnet, da Schätzungen vor 1990 nicht ohne weiteres verfügbar sind.
# Unterschiede in Klammern basierend auf gemischten Modellland / Ozeanfeldern

Fazit

Klimamodelle, die seit 1973 veröffentlicht wurden, waren im Allgemeinen recht geschickt, um die zukünftige Erwärmung zu projizieren. Während einige zu niedrig und einige zu hoch waren, weisen sie alle Ergebnisse auf, die nahe an den tatsächlichen Ergebnissen liegen, insbesondere wenn Diskrepanzen zwischen den vorhergesagten und den tatsächlichen CO2-Konzentrationen und anderen Klimakräftigungen berücksichtigt werden.

Modelle sind alles andere als perfekt und werden im Laufe der Zeit weiter verbessert. Sie zeigen auch eine ziemlich große Auswahl an zukünftigen Erwärmungen kann nicht leicht verengt werden nur mit den Veränderungen des Klimas, die wir beobachtet haben.

Die enge Übereinstimmung zwischen projizierter und beobachteter Erwärmung seit 1970 legt jedoch nahe, dass Schätzungen der zukünftigen Erwärmung ähnlich genau sein können.

Methodischer Hinweis

Umweltwissenschaftler Dana Nuccitelli hilfreich war eine Liste der verfügbaren Vergleiche von Modellen und Beobachtungen hierdem „Vermischten Geschmack“. Seine PlotDigitizer-Software wurde verwendet, um Werte aus älteren Zahlen zu erhalten, wenn Daten nicht anderweitig verfügbar waren. CMIP3- und CMIP5-Modelldaten wurden von erhalten KNMI Klimaforscher.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Carbon Brief

Über den Autor

Zeke Hausfather deckt die Forschung in den Bereichen Klimawissenschaft und Energie mit US-Schwerpunkt ab. Zeke hat Master-Abschlüsse in Umweltwissenschaften von der Yale University und der Vrije Universiteit Amsterdam und promoviert in Klimaforschung an der University of California, Berkeley. Er hat die vergangenen 10-Jahre als Datenwissenschaftler und Unternehmer im Cleantech-Sektor verbracht.

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