Ученые делали прогнозы будущего глобального потепления, используя климатические модели возрастающей сложности в течение последних четырех десятилетий.
Эти модели, основанные на физике атмосферы и биогеохимии, играют важную роль в нашем понимании климата Земли и того, как он, вероятно, изменится в будущем.
Начиная с 1973, Carbon Brief собрал выдающиеся прогнозы климатической модели, чтобы увидеть, насколько хорошо они проецируют прошлые и будущие глобальные температуры, как показано на анимации ниже. (Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы начать.)
В то время как некоторые модели прогнозировали меньшее потепление, чем мы испытывали, а некоторые прогнозировали больше, все демонстрировали повышение температуры поверхности между 1970 и 2016, которое было не слишком далеко от того, что действительно имело место, особенно если принимать во внимание различия в предполагаемых будущих выбросах.
Как поживают прошлые климатические модели?
В то время как прогнозы климатической модели прошлого извлекают пользу из знаний о концентрации парниковых газов в атмосфере, извержениях вулканов и других радиационные воздействия влияя на климат Земли, забегать вперед в будущее понятно более неопределенно. Климатические модели могут оцениваться как по их способности задним числом прошлых температур, так и по прогнозам будущих.
Задние ходы - тестирование моделей по прошлым температурам - полезны, потому что они могут контролировать радиационные воздействия. Прогнозы полезны, потому что модели не могут быть неявно настроенный быть похожим на наблюдения. Климатические модели не подходит для исторических температур, но моделисты имеют некоторые знания наблюдений, которые могут сообщить свой выбор of параметризация моделитакие как физика облаков и аэрозольные эффекты.
В приведенных ниже примерах прогнозы климатической модели, опубликованные между 1973 и 2013, сравниваются с наблюдаемыми температурами от пять разных организаций, Модели, используемые в проекциях, различаются по сложности, от простых модели энергетического баланса в полной связи Модели системы Земли.
(Обратите внимание, что эти сравнения моделей / наблюдений используют базовый период 1970-1990 для выравнивания наблюдений и моделей в первые годы анализа, который показывает, как температуры эволюционировали с течением времени более четко.)
Сойер, 1973
Один из первых прогнозов будущего потепления пришел из Джон Сойер в Метеорологическом бюро Великобритании в 1973. В статья опубликована в журнале Nature в 1973 он предположил, что мир нагреет 0.6C между 1969 и 2000, и что атмосферный CO2 увеличится на 25%. Сойер выступил за чувствительность климата - сколько будет происходить долгосрочное потепление при удвоении атмосферных уровней CO2 - 2.4C, который не слишком далеко от наилучшая оценка 3C, используемый Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) сегодня.
В отличие от других прогнозов, рассмотренных в этой статье, Сойер не представил предполагаемое потепление для каждого года, а только ожидаемое значение 2000. Его оценка потепления 0.6C была почти точной - наблюдаемое потепление за этот период было между 0.51C и 0.56C. Однако он переоценил атмосферные концентрации CO2000 в 2 за год, предположив, что они будут 375-400ppm - по сравнению с фактическими значение 370ppm.
Брокер, 1975
Первый доступный прогноз будущих температур из-за глобального потепления появился в статьи в Наука в 1975, опубликованном ученым Колумбийского университета Профессор Уолли Брокер, Брокер использовал простая модель энергетического баланса оценить, что произойдет с температурой Земли, если атмосферный CO2 продолжит быстро увеличиваться после 1975. Прогнозируемое потепление Брокера было достаточно близко к наблюдениям в течение нескольких десятилетий, но в последнее время было значительно выше.
Это в основном связано с переоценкой Брокером того, как выбросы CO2 и концентрации в атмосфере увеличатся после публикации его статьи. Он был довольно точен до 2000, предсказывая 373ppm CO2 - по сравнению с фактическими наблюдениями Мауна Лоа 370ppm. Однако в 2016 он подсчитал, что CO2 будет 424ppm, тогда как наблюдался только 404 pm.
Брокер также не принимал во внимание другие парниковые газы в своей модели. Тем не менее, как потепление метан, оксид азота и галогеноуглероды было в значительной степени отменены не провела обыск общее охлаждающее влияние аэрозолей после 1970 это не делает такой большой разницы (хотя оценки аэрозольных воздействий имеют большие неопределенности).
Как и в случае с Сойером, Брокер использовал равновесную климатическую чувствительность 2.4C на удвоение CO2. Брокер предположил, что Земля мгновенно прогревается, чтобы соответствовать атмосферному CO2, в то время как современные модели учитывают разницу между скоростью разогрева атмосферы и океанов. (Более медленное поглощение тепла океанами часто называют «тепловая инерцияКлиматической системы.)
Вы можете увидеть его проекцию (черная линия) в сравнении с наблюдаемым повышением температуры (цветные линии) на графике ниже.
Прогнозируемое потепление от Broecker 1975 (толстая черная линия) по сравнению с данными наблюдений за температурой из НАСА, НОАА, HadCRUT, Коутан и Путькачества Беркли Земля (тонкие цветные линии) от 1970 до 2020. Базовый период 1970-1990. График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
Брокер сделал свою проекцию в то время, когда ученые широко полагали, что наблюдения показал скромное охлаждение земли. Он начал свою статью с предвидения, заявив, что «можно привести веские аргументы в пользу того, что нынешняя тенденция к охлаждению в течение примерно десяти лет сменится явным потеплением, вызванным углекислым газом».
Хансен и др., 1981
НАСА Доктор Джеймс Хансен и коллеги опубликовал статью в 1981, которая также использовала простую модель энергетического баланса для прогнозирования будущего потепления, но учитывала тепловую инерцию из-за поглощения тепла океаном. Они предполагали, что чувствительность к климату 2.8C на удвоение CO2, но также смотрели на диапазон 1.4-5.6C на удвоение.
Прогнозируемое потепление от Хансена и др. 1981 (быстрый рост - толстая черная линия - и медленный рост - тонкая серая линия). График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
Хансен и его коллеги представили ряд различных сценариев, варьирующих будущие выбросы и чувствительность климата. На приведенном выше графике вы видите как сценарий «быстрого роста» (жирная черная линия), где выбросы CO2 увеличиваются на 4% ежегодно после 1981, так и сценарий медленного роста, когда выбросы увеличиваются на 2% ежегодно (тонкая серая линия) ). Сценарий быстрого роста несколько переоценивает текущие выбросы, но в сочетании с несколько меньшей чувствительностью климата он дает оценку раннего потепления 2000, близкого к наблюдаемым значениям.
Общая скорость потепления между 1970 и 2016, прогнозируемая Hansen et al. В 1981 в сценарии быстрого роста, была примерно на 20% ниже, чем наблюдения.
Хансен и др., 1988
Ассоциация опубликованная статья Хансен и его коллеги из 1988 представили одну из первых современных климатических моделей. Он разделил мир на дискретные ячейки сетки с широтой восемь градусов по долготе 10 с девятью вертикальными слоями атмосферы. Он включал аэрозоли, различные парниковые газы в дополнение к CO2 и базовую динамику облачности.
Хансен и др. Представили три различных сценария, связанных с различными будущими выбросами парниковых газов. Сценарий B показан на диаграмме ниже жирной черной линией, а сценарии A и C показаны тонкими серыми линиями. Сценарий А демонстрирует экспоненциальный рост выбросов, причем концентрации CO2 и других ПГ значительно выше, чем сегодня.
Прогнозируемое потепление от Хансена и др. 1988 (сценарий B - толстая черная линия - и сценарии A и C - тонкие сплошные и пунктирные серые линии). График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
Сценарий B предполагал постепенное замедление выбросов CO2, но имел концентрации 401ppm в 2016 которые были довольно близко к 404ppm наблюдается, Однако сценарий B предполагал продолжающийся рост выбросов различных галогенуглеводородов, которые являются мощными парниковыми газами, но впоследствии были ограничены в соответствии с Монреальский протокол из 1987. В сценарии C выбросы приближаются к нулю после года 2000.
Из трех сценарий B был наиболее близок к действительному радиационному воздействию, хотя все еще около 10% слишком высоко, Хансен и др. Также использовали модель с климатической чувствительностью 4.2C на удвоение CO2 - на верхнем уровне большинства современных климатических моделей. Из-за сочетания этих факторов в сценарии B прогнозируется скорость потепления между 1970 и 2016, которая была приблизительно на 30% выше, чем наблюдалось.
Первый оценочный доклад МГЭИК, 1990
МГЭИК Первый оценочный отчет (FAR) в 1990 были представлены относительно простые модели баланса энергии / диффузии океана с восходящим течением для оценки изменений глобальных температур воздуха. В их сценарии с обычным бизнесом (BAU) предполагалось быстрое увеличение содержания CO2 в атмосфере, достигшее 418ppm CO2 в 2016 по сравнению с 404ppm в наблюдениях. FAR также предполагал продолжение роста концентрации галогенуглерода в атмосфере намного быстрее, чем это было на самом деле.
FAR дал наилучшую оценку чувствительности климата как потепление 2.5C для удвоенного CO2 с диапазоном 1.5-4.5C. Эти оценки применяются к сценарию BAU на рисунке ниже, где толстая черная линия представляет наилучшую оценку, а тонкие пунктирные черные линии представляют верхнюю и нижнюю границы диапазона чувствительности климата.
Прогнозируемое потепление из Первого оценочного отчета МГЭИК (средняя проекция - толстая черная линия с верхними и нижними границами, показанными тонкими пунктирными черными линиями). График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
Несмотря на лучшую оценку чувствительности климата, чуть ниже, чем 3C, использованный сегодня, FAR переоценил скорость потепления между 1970 и 2016 примерно на 17% в их сценарии BAU, показав потепление 1C за этот период по сравнению с наблюдаемым 0.85C. Это в основном связано с прогнозом гораздо более высоких концентраций CO2 в атмосфере, чем это было на самом деле.
Второй оценочный доклад МГЭИК, 1995
МГЭИК Второй оценочный отчет (SAR) только опубликованные легкодоступные прогнозы от 1990 и далее. Они использовали чувствительность к климату 2.5C, с диапазоном 1.5-4.5C. Их сценарий выбросов в среднем диапазоне, «IS92a», прогнозировал уровни CO2 405ppm в 2016, почти идентичные наблюдаемым концентрациям. SAR также включал гораздо лучшую обработку антропогенных аэрозолей, которые оказывают охлаждающее воздействие на климат.
Прогнозируемое потепление из Второго оценочного отчета МГЭИК (средняя проекция - толстая черная линия с верхними и нижними границами, показанными тонкими пунктирными черными линиями). График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
Как вы можете видеть на приведенной выше диаграмме, прогнозы SAR оказались значительно ниже наблюдений, нагреваясь примерно на 28% медленнее в течение периода от 1990 до 2016. Вероятно, это произошло из-за сочетания двух факторов: более низкая чувствительность климата, чем в современных оценках (2.5C против 3C) и завышенная оценка радиационное воздействие CO2 (4.37 ватт на квадратный метр по сравнению с 3.7, использованным в последующем отчете МГЭИК и использовавшимся сегодня).
Третий доклад об оценке МГЭИК, 2001
МГЭИК Третий оценочный отчет (TAR) опирались на модели общей циркуляции атмосферы и океана (GCM) из семи различных групп моделирования. Они также представили новый набор сценариев социально-экономических выбросов, названный СДСВ, который включал четыре различных будущих траектории выбросов.
Здесь Carbon Brief рассматривает A2 сценарий, хотя у всех есть довольно похожие выбросы и траектории потепления вплоть до 2020. Сценарий A2 спроецировал концентрацию CONNUMX в атмосфере 2016 в миллионных долях 2, почти такую же, как наблюдаемая. Сценарии SRES были начиная с 406, а модели, предшествующие 2000, использовали оценочные исторические принуждения. Пунктирная серая линия на рисунке выше показывает точку, в которой модели переходят от использования наблюдаемых выбросов и концентраций к прогнозируемым будущим.
Прогнозируемое потепление из Третьего оценочного доклада МГЭИК (средняя проекция - толстая черная линия с верхними и нижними границами, показанными тонкими пунктирными черными линиями). График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
В прогнозе заголовка TAR использовалась простая климатическая модель, которая была настроена для соответствия средним выходам семи более сложных GCM, поскольку в TAR не было опубликовано никакого конкретного многомодельного среднего, и данные для отдельных прогонов модели не всегда доступны. Он имеет климатическую чувствительность 2.8C на удвоение CO2, с диапазоном 1.5-4.5C. Как показано на графике выше, скорость потепления между 1970 и 2016 в TAR была примерно на 14% ниже, чем на самом деле наблюдалось.
Четвертый оценочный доклад МГЭИК, 2007
МГЭИК Четвертый оценочный отчет (AR4) представлены модели со значительно улучшенной атмосферной динамикой и разрешением модели. В нем более широко использовались модели систем Земли, которые включают биогеохимию углеродных циклов, а также улучшенное моделирование процессов на поверхности земли и на льду.
AR4 использовал те же сценарии СДСВ, что и TAR, с историческими выбросами и концентрациями в атмосфере вплоть до 2000 года и прогнозами после этого. Модели, используемые в AR4, имели среднюю чувствительность к климату 3.26C с диапазоном значений от 2.1C до 4.4C.
Прогнозируемое потепление из Четвертого оценочного доклада МГЭИК (средняя проекция - толстая черная линия, две сигма верхней и нижней границы показаны тонкими пунктирными черными линиями). График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
На рисунке выше показаны прогоны модели для сценария A1B (который является единственным сценарием, когда модели легко доступны, хотя его концентрации 2016 CO2 практически идентичны концентрациям сценария A2). Прогнозы AR4 между 1970 и 2016 показывают потепление довольно близко к наблюдениям, только на 8% выше.
Пятый оценочный доклад МГЭИК, 2013
Самый последний доклад МГЭИК - Пятая оценка (AR5) - представлены дополнительные уточнения климатических моделей, а также незначительное снижение неопределенности будущих моделей по сравнению с AR4. Климатические модели в последнем докладе МГЭИК были частью Проект сравнения связанных моделей 5 (CMIP5), где десятки различных групп моделирования по всему миру использовали климатические модели, используя один и тот же набор исходных данных и сценариев.
Прогнозируемое потепление из Пятого оценочного отчета МГЭИК (средняя проекция - толстая черная линия, верхняя и нижняя границы двух сигм, показанные тонкими пунктирными черными линиями). Пунктирная черная линия показывает смешанные поля модели. График по Carbon Brief с использованием Highcharts.
AR5 представила новый набор будущих сценариев концентрации парниковых газов, известный как Типичные Подготовка Концентрация (СКТ). Они имеют будущие прогнозы от 2006 и далее, с историческими данными до 2006. Серая пунктирная линия на рисунке выше показывает, где модели переходят от использования наблюдаемых воздействий к прогнозируемым будущим воздействиям.
Сравнение этих моделей с наблюдениями может быть несколько хитрое упражнение, Наиболее часто используемые поля из климатических моделей - это глобальные приземные температуры воздуха. Тем не менее, наблюдаемые температуры зависят от температуры воздуха на поверхности суши и температуры поверхности моря над океаном.
Чтобы объяснить это, в последнее время исследователи создали смешанные модельные поля, которые включают температуру поверхности моря над океанами и температуру приземного воздуха над землей, чтобы соответствовать тому, что фактически измеряется в наблюдениях. Эти смешанные поля, показанные пунктирной линией на рисунке выше, демонстрируют немного меньшее потепление, чем глобальные температуры приземного воздуха, поскольку в моделях воздух над океаном прогревается быстрее, чем температуры поверхности моря в последние годы.
Глобальные температуры приземного воздуха в моделях CMIP5 прогревались примерно на 16% быстрее, чем наблюдения со времен 1970. Около 40% этой разницы обусловлено тем, что температура воздуха над океаном нагревается быстрее, чем температура поверхности моря в моделях; Смешанные поля модели показывают прогрев только на 9% быстрее, чем наблюдения.
A недавняя статья в Природе by Изелин Медхауг и коллеги предполагают, что остальная часть расхождения может быть объяснена сочетанием кратковременной естественной изменчивости (в основном в Тихом океане), небольших вулканов и солнечного излучения ниже, чем ожидалось, которое не было включено в модели в их пост- 2005 проекции.
Ниже приводится краткая информация обо всех моделях, на которые смотрел Carbon Brief. Таблица ниже показывает разницу в скорости потепления между каждой моделью или набором моделей и НАСА температурные наблюдения. Все данные наблюдений за температурой довольно схожи, но НАСА входит в группу, которая включает более полный глобальный охват в последние годы и, таким образом, более непосредственно сопоставима с данными климатической модели.
* Различия в тенденциях SAR рассчитываются за период от 1990-2016, поскольку оценки до 1990 не доступны.
# Различия в скобках, основанные на смешанных модельных полях суши / океана
Заключение
Климатические модели, опубликованные после 1973, как правило, весьма искусны в прогнозировании будущего потепления. Хотя некоторые из них были слишком низкими, а некоторые слишком высокими, все они демонстрируют результаты, достаточно близкие к тому, что фактически произошло, особенно если принять во внимание расхождения между прогнозируемой и фактической концентрациями CO2 и другими воздействиями климата.
Модели далеки от совершенства и будут улучшаться с течением времени. Они также показывают довольно большой диапазон будущего потепления, что не может быть легко сужен используя только изменения климата, которые мы наблюдали.
Тем не менее, близкое соответствие между прогнозируемым и наблюдаемым потеплением, поскольку 1970 предполагает, что оценки будущего потепления могут оказаться столь же точными.
Методологическая записка
Ученый-эколог Дана Нучителли услужливо предоставил список прошлых сравнений моделей / наблюдений, доступных здесь, Программное обеспечение PlotDigitizer был использован для получения значений из более старых цифр, когда данные не были доступны иным образом. Данные моделей CMIP3 и CMIP5 были получены из KNMI Climate Explorer.
Эта статья первоначально появилась на Углеродный брикет
Об авторе
Zeke Hausfather охватывает исследования в области науки о климате и энергии с акцентом на США. Zeke имеет степень магистра в области наук об окружающей среде из Йельского университета и Vrije Universiteit Amsterdam, и заканчивает кандидатскую диссертацию по климатологии в Калифорнийском университете в Беркли. Он провел прошлые годы 10, работая ученым-дантистом и предпринимателем в секторе чистых технологий.
Книги по этой теме
at Внутренний рынок самовыражения и Amazon
