Fundamentale mangler ved klimamodellene?

Amerikanske forskere har undersøkt misforholdet mellom klimamodeller og observasjoner fra virkeligheten. - Resultatene antyder et behov for ekstrem varsomhet når man benytter simuleringer til fremtidige forutsigelser om klima og til bedømmelse av påvirkning, lyder konklusjonen.

Ett av de grunnleggende trekkene ved dagens klimamodeller, er at de spår en større oppvarming i den frie troposfæren enn ved jordoverflaten, når forskerne legger inn pådriv fra økende konsentrasjon av drivhusgasser. I modellene skjer altså oppvarmingen ganske mye raskere et stykke over bakken, enn den gjør like ved bakken.

Klimamodeller er og blir modeller, og ikke virkelighet. Dersom modellenes oppvarming av troposfæren ikke finner sted i virkeligheten, er det da grunn til å tro på noe annet av det modellene forutsier?

- Feil i vår “forståelse”

En ny studie fra Thomas N. Chase med flere, stiller spørsmål ved dagens klimamodellers evne til å gjøre forutsigelser - “den strengeste testen på en hvilken som helst hypotese”, som de formulerer det selv.

- Studien sannsynligjør at avviket mellom observasjoner og modellestimater skyldes utelatelsen av enkelte pådriv som for eksempel vulkaner, eller mulige modellfeil - eventuelt en kombinasjon av disse, sier Asgeir Sorteberg, fra forskningsgruppen for klimaprediktabilitet og fremtidig klima ved Bjerknessenteret i Bergen.

- Studien dokumenterer en manglende evne til å gjøre forutsigelser, som sannsynliggjør feil i vår “forståelse” av klima og menneskenes påvirkning. Disse feilene kan være en hvilken som helst kombinasjon av unøyaktig pådriv, unøyaktige modeller og unøyaktige målinger, sier Chase til forskning.no.

Er det så riktig å bruke klimamodellene som grunnlag for politiske avgjørelser?

- All informasjon, inkludert klimamodeller, bør sannsynligvis være del av prosessen. En forståelse av modellenes begrensninger bør imidlertid også være del av prosessen, sier Chase.

Hypoteser og observasjoner

Et viktig prinsipp i vitenskapen er at hypoteser skal testes med observasjoner fra virkeligheten og ikke omvendt. Ballongmålinger og satellittmålinger fra de siste 25 årene viser ingen til meget moderat oppvarming av troposfæren, i motsetning til temperaturmålingene gjort på bakkenivå, som viser at temperaturen stiger.

I IPCC-rapporten fra 2001 går det frem at temperaturen på bakkenivå har gått opp med mellom 0,14 og 0,16 grader celsius per tiår siden 1979, ifølge observasjoner. Den observerte temperaturtrenden i den lavere troposfæren - fra fem forskjellige datasett - rangerer fra en temperaturnedgang på 0,03 grader celsius til en oppgang på 0,04 grader celsius per tiår, og er statistisk sett ikke til å skjelne fra null. I følge Chase et al gir troposfæremålingene ingen indikasjon på oppvarming i det hele tatt i denne perioden.

Ifølge modellene burde temperaturen i troposfæren stige raskere enn den gjør ved bakken. Det gjør den altså ikke. Hvorfor det? Er det noe galt med modellene? Dette har lenge vært et hett debattema innen klimaforskningen, noe forskning.no har omtalt tidligere, for eksempel i artikkelen Satellittmålinger med bakkekontakt.

Klarer ikke å simulere dagens situasjon

I den nye studien har Chase et al gjort en mengde kjøringer med fire av dagens viktigste klimamodeller, og forsøkt å komme opp med en situasjon hvor modellene viser det vi ser i virkeligheten; at troposfæren varmes saktere enn bakken. Det har de ikke fått til.

- Ikke på noe tidspunkt, i noen av modellrealiseringene, med fremtidig menneskeskapt pådriv eller uten, simulerte noen av klimamodellene dagens observerte situasjon med en stor og høyst signifikant overflatevarming, fulgt av ingen oppvarming i det hele tatt høyere oppe, skriver Chase et al.

Uansett hvordan de snur og vender på de aktuelle modellene, får forskerne altså ikke til en situasjon som ligner virkeligheten i dag, med en rundt fire ganger raskere oppvarming på bakkenivå enn i troposfæren.

Faktisk konkluderer Chase et al med at større oppvarming på bakkenivå enn i troposfæren er mer sannsynlig i kontrollsimuleringer hvor pådrivet fra menneskeskapte drivhusgasser ikke er lagt på. Dette viser at misforholdet mellom modellene og virkeligheten ikke kan skyldes intern variabilitet i klimamodellene, eller variasjoner i det menneskeskapte pådrivet.

- Store implikasjoner

- Fordi vi kan forvente at feil i den vertikale temperaturstrukturen vil skape feil i tilbakekoblingen fra vanndamp, skydekke og luftfuktighet, antyder disse resultatene behovet for stor varsomhet når simuleringene benyttes til fremtidige klimaprediksjoner og til vurdering av innvirkning, skriver forskerne i sammendraget til den vitenskapelige artikkelen.

- Forskjellen mellom en troposfære som varmes opp stadig mer med høyden i et dypt lag, som i klimamodellene, og en oppvarming som er begrenset til et tynt lag ved overflaten, har store implikasjoner for luftfuktigheten, tilbakekoblingen fra vanndamp, tykkelsesgradienter og sirkulasjonsrespons, skriver Chase et al.

Som nevnt avviser de intern variabilitet i modellene eller variasjoner i pådrivet som forklaringer, men de presenterer samtidig tre andre muligheter:

Flere kombinasjoner av pådriv

For det første er det mulig at det trengs flere kombinasjoner av pådriv. Modellene som benyttes av Chase et al er kjørt uten variasjoner i vulkanske aktivitet, solinnstråling, ozonforandringer, vegetasjonsforandringer, og så videre.

Det bør imidlertid nevnes at det er lignende modeller og antagelser om pådriv som ligger til grunn for mange av konklusjonene fra IPCC (2001).

Intern variabilitet ikke godt nok simulert

For det andre kan det hende at den interne variabiliteten i modellene ikke er godt nok simulert. Dersom vi tenker oss at drivhusgassene er konstante, vulkanene er konstante og så videre, vil det likevel være en intern variabilitet i klimaet fra år til år og tiår til tiår. Dette skyldes interne prosesser i klimasystemet som oppstår og dør ut. Det er den dominerende effekten fra år til år, og en ganske sterk effekt fra tiår til tiår.

- Problemet med den interne variabiliteten er at vi ikke har noe å sammenligne med. Observasjoner av klimaet reflekterer både intern variabilitet, og ekstern variabilitet som skyldes naturlige og menneskeskapte faktorer. Påstanden om at det er den interne variabiliteten som er feil, er dermed ikke så lett å etterprøve - det er en påstand vi bare i begrenset grad kan sjekke med observasjoner, sier Sorteberg.

- Den manglende evnen til å simulere naturlig variabilitet er et stort problem dersom du prøver å identifisere en menneskelig påvirkning på klimaet. Å kvantifisere menneskelig påvirkning kan ikke gjøres med dyktighet uten en presis simulering av det naturlige klimaet, sier Chase.

Tilbakekoblingsmekanismer ikke godt nok simulert

Den tredje og mest vektlagte forklaringen hos Chase et al, handler om at tilbakekoblingsmekanismene, for eksempel den vertikale distribusjonen av skyer eller vanndamp, ikke er godt nok simulert.

Dersom modellen har feil vertikal transport av fuktighet, vil det kunne ha en viktig innvirkning på resultatet. Med oppvarming i tropene vil du også få mer fordampning, som tar med seg energi oppover og gir en oppvarming også i troposfæren.

Samtidig øker sannsynligheten for flere skyer, som vil ha en avkjølende effekt. Oppvarming på grunn av fordampning, og nedkjøling på grunn av skyer, er to effekter som kan utligne hverandre, eller den ene kan overgå den andre. En slik feil i tilbakekoblingsmekanismene vil gi systematisk feil i modellene.

- Signifikante feil i simuleringene av global, gjennomsnittlig, troposfærisk temperaturstruktur, indikerer sannsynlige feil i troposfærisk luftfuktighet og derfor også feil i det totale pådrivet fra drivhusgasser, nedbør og storskala sirkulasjoner, skriver Chase et al.

- Jeg er enig

I studien har forskerne imidlertid ikke gjort noen forsøk på å kvantifisere hvilken av de tre forklaringene som er mest sannsynlig.

- Jeg er enig i at man skal være svært forsiktig med å bruke klimamodeller til fremtidige scenarier dersom misforholdet mellom modellene og observasjonene skyldes den siste forklaringen, og feilen er representativ for mer enn 22 år, som er perioden disse forskerne ser på. Feilen ville blitt betydelig mindre dersom man hadde sammenlignet modellen med radiosondedata fra de siste 50 år, sier Sorteberg.

- Det stemmer. Feilen ville også blitt mindre om du utvidet dataene til 2003, siden det har skjedd noe oppvarming av troposfæren nylig. Misforholdet eksisterer imidlertid fremdeles, og siden man hevder at den menneskeskapte påvirkningen er påviselig siden midt på 1970-tallet, ikke midt på 1950-tallet da planeten var inne i en periode med avkjøling, har vi valgt de senere årene. Dette er også tidsperioden hvor det eksisterer uavhengige målinger, sier Chase.

Vulkanutbrudd

Sorteberg fremhever vulkanutbrudd som en mulig forklaring på hvorfor klimamodellene ikke stemmer overens med virkeligheten når det gjelder troposfæren.

- Det har vært to kraftige vulkanutbrudd etter 1979 (El Chichon i 1982 og Mt Pinatubo i 1991), da satellittene begynte å måle temperaturen i troposfæren. Det er flere studier som viser at vulkanutbrudd har en mer avkjølende effekt i den lavere troposfæren enn ved bakken. Ballongmålinger som går tilbake til 1950 viser en like sterk oppvarming i troposfæren som ved overflaten frem til omtrent 1980. Fra og med 1979 har vi både ballongdata og satellittdata, som i stor grad viser det samme, nemlig at oppvarmingen i troposfæren er mindre enn ved overflaten. Dersom man sammenligner med klimasimuleringer som ikke har med vulkaner, vil det være grunn til å tro at klimasimuleringene overestimerer oppvarmingen, sier Sorteberg.

- Vi nevner i studien at de kan være nødvendig å påkalle andre pådriv, uten at vi nevnte alle. Vulkanutbrudd kan helt klart være en del av fortellingen, som mange andre ting. Men pådrivet fra vulkanutbrudd er også usikkert, på samme måte som simuleringen av effekten av aerosoler, sier Chase.

El Niño

Sorteberg trekker også frem at det har vært en tendens til veldig kraftige El Niño-fenomener de siste 20 årene, som har en oppvarmende effekt både på bakken og i troposfæren, men mest oppvarming for bakken.

- Dersom det er El Niñjo som har ansvaret, reflekterer dette modellenes manglende evne til å reprodusere naturlig variabilitet, noe som ikke gir et godt inntrykk av modellene. Nylige forandringer i El Niño er en viktig årsak til at vi har en oppvarmingstrend i troposfæren i det hele tatt. At modellene simulerer oppvarming uten denne effekten, betyr at feil fysisk mekanisme er simulert, sier Chase.

Minimumstemperaturen om natta

- Oppvarmingen ved overflaten har også vært mye kraftigere om natta enn om dagen de siste årene, det vil si at minimumstemperaturen om natta har økt mest. Minimumstemperaturen om natta er mye mindre relatert til luftmassene over, enn temperaturen er om dagen, sier Sorteberg.

- Modeller indikerer at summen av alle effekter burde være mulig å oppdage i gjennomsnittstemperaturer. Det er mulig at avkoblingen mellom overflatetemperatur og temperaturer høyere oppe om natta, kan føre til en gjennomsnittlig oppvarming på overflaten som ikke er tydelig høyere oppe. Dette er imidlertid ikke det modellene har forutsett, som et resultat av drivhusgasser og aerosoler, sier Chase.

- Gjenstår ganske mye

- Det er gjort studier hvor man har sett på klimamodeller. Når man sammenligner rådata fra klimamodeller med observasjoner, finner man at det er mye for varmt i troposfæren, men når man trekker fra effekten av El Ninjo og vulkanutbrudd, er ikke modellkjøringene så langt unna det man skulle forvente.

- Dersom upresise beskrivelser av pådriv skulle være den “eneste” årsaken til misforholdet, kunne dette indikere at modellene er mer presise enn ved de to andre årsaksforklaringene. Dersom observasjonene viser seg å være feil, vil det også få modellene til å se bedre ut. Modellene kan også en evne til å gjøre forutsigelser på en langsiktig skala, som ikke enda er tydelig, sier Chase.

Sorteberg er på sin side heller ikke fremmed for at det er feil ved modellene.

- Jeg mener det fortsatt gjenstår ganske mye på forståelsen mellom lavere troposfære og bakkenivået. Jeg tror at selv om man korrigerer for alle tingene nevnt over, så gir modellene for høy oppvarming i troposfæren, særlig i tropene. Hvor mye fuktighet du får i troposfæren og hvor høyt opp den går, er et særdeles viktig klimaspørsmål, sier Sorteberg.

- Politisk prosess

Han forklarer at klimamodeller ser framover i tid, men har ingen anelse om solaktivitet, vulkanaktivitet eller noen slike naturlige pådriv i framtiden. De ser på hva de menneskeskapte klimagassene kan bidra med av forandring, ikke den totale forandringen vi vil se i framtida.

- Klimamodellene gjør ikke forsøk på å forutside totale klimaforandringene som kan komme i framtida, de prøver å si noe om den forventede responsen på økte menneskelige utslipp. Det varierer forferdelig fra scenario til scenario hvor mye utslipp det er snakk om. Dette er i første rekke en politisk prosess, og er sterkt knyttet opp mot framtidige politiske prosesser såvel som global økonomisk og politisk utvikling, sier Sorteberg.

- Den naturlige variabiliteten i klimasystemet er så stor, at vi tror man på en tiårsskala har liten mulighet til å forutsi noe. Med et lengre tidsperspektiv, for eksempel gjennomsnittet over en periode på 50 til 100 år, har man en større forutsigbarhet. Jeg tror den største usikkerheten går på hvor mye utslipp menneskene kommer til å stå for, sier Sorteberg.

- Usikkerheter i strålingspådriv

- Vi prøver ikke å si hvilken av de potensielle usikkerhetene som er mest sannsynlig. I denne studien var mengden CO2 faktisk observert. Det eksisterer liten usikkerhet i de målte atmosfæriske konsentrasjonene. Det finnes imidlertid et vidt spekter av usikkerheter i strålingspådriv generelt sett, per i dag. Dette er vist i figur tre i sammendraget av den siste IPCC-rapporten, sier Chase.

Sorteberg mener det er mye som taler for den første forklaringen, som sier at det trengs en kombinasjon av flere pådriv, for eksempel vulkanske aktivitet.

- Jeg tror likevel at det er indikasjoner som tyder på at man transporterer for mye fuktighet opp i tropene i modellene, men hvor viktig denne feilen er, har jeg til gode å se noen resultater på. Hvilken vei den kommer til å påvirke er avhengig av forholdet mellom vanndamp og skyer, sier Sorteberg.

Tilbakekoblingsmekanismene

Han ser imidlertid at studien taler for at en del av den manglende oppvarmingen av troposfæren vi har sett de siste 22 årene ikke kan forklares med verken intern variabilitet eller økte drivhusgasser. I litteraturen er det vulkansk aktivitet, modellfeil og feil på grunn av observasjonsmetodikk som står frem som forklaringsmodeller, mener Sorteberg.

- Det som diskuteres i litteraturen er i stor grad tilbakekoblingsmekanismene. Det er ingen studier som viser at CO2 ikke er en drivhusgass. Spørsmålet er tilbakekoblingsmekanismene og i hvilken grad de styrker eller reduserer oppvarmingen. Her varierer modellene, sier Sorteberg.

Referanse:

T.N. Chase et al: Likelihood of rapidly increasing surface temperatures unaccompanied by strong warming in the free troposphere; Climate Research; Vol. 25; 185-190; 2004.

Lenker:

Hjemmeside: Thomas N. Chase

Powered by Labrador CMS