Forskare har gjort prognoser för framtida global uppvärmning med klimatmodeller av ökad komplexitet under de senaste fyra decennierna.

Dessa modeller, drivna av atmosfärisk fysik och biogeokemi, spelar en viktig roll i vår förståelse av jordens klimat och hur det sannolikt kommer att förändras i framtiden.

Carbon Brief har samlat in framstående klimatmodellprognoser eftersom 1973 ser hur bra de projicerar både tidigare och framtida globala temperaturer, vilket visas i animationen nedan. (Klicka på uppspelningsknappen för att starta.)

Medan vissa modeller projicerade mindre uppvärmning än vad vi har upplevt och några projicerade mer ökar all uppvisad ytemperatur mellan 1970 och 2016 som inte var för långt bort från vad som faktiskt inträffade, särskilt när skillnader i antagna framtida utsläpp beaktas.

Hur har tidigare klimatmodeller gått?

Medan klimatmodellprognoser från det förflutna dra nytta av kunskap om atmosfäriska växthusgaser, vulkanutbrott och andra radiativa forcings påverkar jordens klimat är det förståeligt osäkert att kasta framåt i framtiden. Klimatmodeller kan utvärderas både på deras förmåga att hindra tidigare temperaturer och prognostisera framtida.

Hindcasts - testmodeller mot tidigare temperaturer - är användbara eftersom de kan kontrollera för strålningsförskjutningar. Prognoser är användbara eftersom modeller inte kan vara implicit inställd att likna observationer. Klimatmodeller är passar inte till historiska temperaturer, men modellerar har viss kunskap om observationer som kan informera sitt val of modellparametrarier, såsom molnfysik och aerosoleffekter.

I exemplen nedan jämförs klimatmodellprognoser som publiceras mellan 1973 och 2013 med observerade temperaturer från fem olika organisationer. Modellerna som används i projektionerna varierar i komplexitet, från enkla energibalansmodeller till fullständigt kopplad Jordsystemmodeller.

(Observera att dessa modell / observations jämförelser använder en baslinjeperiod av 1970-1990 för att anpassa observationer och modeller under analysens tidiga år, vilket visar hur temperaturen har utvecklats över tiden tydligare.)

Sawyer, 1973

En av de första prognoserna för framtida uppvärmning kom från John Sawyer på Storbritanniens Met Office i 1973. I en papper publicerat i Nature i 1973 antydde han att världen skulle värma 0.6C mellan 1969 och 2000, och att atmosfären CO2 skulle öka med 25%. Sawyer argumenterade för a klimatkänslighet - hur mycket långvarig uppvärmning kommer att inträffa vid fördubbling av atmosfäriska CO2-nivåer - av 2.4C, som inte är långt ifrån bästa uppskattningen av 3C som används av den intergouvernerade panelen för klimatförändringar (IPCC) idag.

Till skillnad från de andra prognoser som undersöktes i denna artikel gav Sawyer inte uppskattad uppvärmning för varje år, bara ett förväntat 2000-värde. Hans uppvärmningsberäkning av 0.6C var nästan spot on - den observerade uppvärmningen över den perioden var mellan 0.51C och 0.56C. Han överskattade år 2000s atmosfäriska CO2-koncentrationer, förutsatt att de skulle vara 375-400ppm - jämfört med det faktiska värdet av 370ppm.

Broecker, 1975

Den första tillgängliga projiceringen av framtida temperaturer på grund av global uppvärmning uppträdde i en artikel i Vetenskap i 1975 publicerad av Columbia University forskare Prof Wally Broecker. Broecker använde a enkel energibalansmodell att uppskatta vad som skulle hända med jordens temperatur om atmosfären CO2 fortsatte att öka snabbt efter 1975. Broeckers uppskattade uppvärmning var rimligen nära observationer under några decennier, men har nyligen varit betydligt högre.

Detta beror främst på att Broecker överskattar hur CO2-utsläpp och atmosfäriska koncentrationer skulle öka efter att hans artikel publicerades. Han var ganska exakt upp till 2000, förutsatt 373ppm för CO2 - jämfört med faktiska Mauna Loa observationer av 370ppm. I 2016 uppskattade han emellertid att CO2 skulle vara 424ppm, medan endast 404 pm har observerats.

Broecker tog inte heller hänsyn till andra växthusgaser i sin modell. Men som uppvärmningen påverkar metan, kväveoxid och halogenkolväten har till stor del avbrutits genom att övergripande kylning av aerosoler eftersom 1970 gör det inte så stort en skillnad (även om uppskattningar av aerosolforcings har stor osäkerhet).

Som med Sawyer använde Broecker en jämviktsklimatkänslighet för 2.4C per fördubbling av CO2. Broecker antog att jorden omedelbart värms upp för att matcha atmosfärisk CO2, medan moderna modeller står för förloppet mellan hur snabbt atmosfären och oceanerna värmer upp. (Den långsammare värmeupptagningen av oceanerna kallas ofta "termisk tröghet"Av klimatsystemet.)

Du kan se hans projektion (svart linje) jämfört med observerad temperaturökning (färgade linjer) i diagrammet nedan.

Projicerat uppvärmning från Broecker 1975 (tjock svart linje) jämfört med observationstemperaturrekord från NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan och Wayoch Berkeley Jord (tunna färgade linjer) från 1970 till 2020. Baslinjeperiod för 1970-1990. Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Broecker gjorde sin projicering vid en tidpunkt då forskare trodde allmänt att observationerna visade en blygsam kylning av jorden. Han började sin artikel genom att presciently säga att "ett starkt fall kan göras att den nuvarande kylningstendensen inom ett decennium eller så kommer att ge plats för en uttalad uppvärmning inducerad av koldioxid".

Hansen et al., 1981

NASA: s Dr James Hansen och kollegor publicerade ett papper i 1981 som också använde en enkel energibalansmodell för att projicera framtida uppvärmning, men stod för termisk tröghet på grund av havsvärmeupptagning. De antog en klimatkänslighet för 2.8C per fördubbling av CO2, men tittade också på en rad 1.4-5.6C per fördubbling.

Projicerat uppvärmning från Hansen et al. 1981 (snabb tillväxt-tjock svart linje och långsam tillväxt-tunn grå linje). Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Hansen och kollegor presenterade ett antal olika scenarier, varierande framtida utsläpp och klimatkänslighet. I diagrammet ovan kan du se både scenen "snabb tillväxt" (tjock svart linje), där CO2-utsläppen ökar med 4% årligen efter 1981, och ett långsiktigt scenario där utsläppen ökar med 2% årligen (tunn grå linje ). Snabbväxtscenariot överskattar något nuvarande utsläpp, men i kombination med en något lägre klimatkänslighet ger det en uppskattning av tidig 2000s uppvärmning nära observerade värden.

Den totala uppvärmningshastigheten mellan 1970 och 2016 som projiceras av Hansen et al i 1981 i snabbväxtscenariot har varit cirka 20% lägre än observationer.

Hansen et al., 1988

Smakämnen publicerat papper av Hansen och kollegor i 1988 representerade en av de första moderna klimatmodellerna. Det delade världen in i diskreta gridceller med åtta grader latitud med 10 grader longitud, med nio vertikala skikt av atmosfären. Det innehöll aerosoler, olika växthusgaser utöver CO2, och grundläggande molndynamik.

Hansen et al presenterade tre olika scenarier förknippade med olika framtida växthusgasutsläpp. Scenario B visas i tabellen nedan som en tjock svart linje, medan scenarierna A och C visas med tunna grå linjer. Scenario A hade exponentiell tillväxt i utsläpp, med CO2 och andra GHG-koncentrationer betydligt högre än idag.

Projicerat uppvärmning från Hansen et al. 1988 (scenario B-tjock svart linje och scenarier A och C-tunna solida och streckade grå linjer). Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Scenario B antog en gradvis avmattning av CO2-utsläppen, men hade koncentrationer av 401ppm i 2016 som var ganska nära 404ppm observerades. Scenario B antog emellertid fortsatt tillväxt av utsläpp av olika halokarboner som är kraftfulla växthusgaser, men begränsades därefter under Montrealprotokollet av 1987. Scenario C hade utsläpp på nära noll efter året 2000.

Av de tre var scenarie B närmast den verkliga strålningsstyrkan, men fortfarande ungefär 10% för hög. Hansen et al använde också en modell med en klimatkänslighet för 4.2C per fördubbling av CO2 - i högsta delen av de flesta moderna klimatmodeller. På grund av kombinationen av dessa faktorer prognostiserar scenario B en uppvärmningshastighet mellan 1970 och 2016 som var ungefär 30% högre än vad som observerats.

IPCC: s första utvärderingsrapport, 1990

IPCC: s Första bedömningsrapporten (FAR) i 1990 presenterade relativt enkla energibalans / uppvällande diffusionsmodeller för att uppskatta förändringar i de globala lufttemperaturerna. Deras framträdande affärs-som-vanliga (BAU) scenario antog snabb tillväxt av atmosfärisk CO2, och nåde 418ppm CO2 i 2016, jämfört med 404ppm i observationer. FAR antog också fortsatt tillväxt av atmosfäriska halokolkoncentrationer mycket snabbare än vad som faktiskt har inträffat.

FAR gav en bästa uppskattning av klimatkänsligheten som 2.5C-uppvärmning för dubbla CO2, med en rad 1.5-4.5C. Dessa uppskattningar tillämpas på BAU-scenariot i figuren nedan, med den tjocka svarta linjen som representerar den bästa uppskattningen och de tunna streckade svarta linjerna som representerar den höga och låga delen av klimatkänslighetsområdet.

Projicerat uppvärmning från IPCC: s första utvärderingsrapport (medelprojektion tjock svart linje, med övre och nedre gränsen som visas med tunna prickade svarta linjer). Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Trots en bästa uppskattning av klimatkänsligheten är en tad lägre än den 3C som används idag, överskattat FAR uppvärmningshastigheten mellan 1970 och 2016 med omkring 17% i sitt BAU-scenario, vilket visar 1C-uppvärmning över den perioden jämfört med 0.85C observerad. Detta beror främst på projiceringen av mycket högre atmosfäriska CO2-koncentrationer än vad som faktiskt har inträffat.

IPCC andra bedömningsrapport, 1995

IPCC: s Andra bedömningsrapporten (SAR) publicerade endast lätt tillgängliga prognoser från 1990 framåt. De använde en klimatkänslighet för 2.5C, med en rad 1.5-4.5C. Deras midjeprisutsläppsscenario, "IS92a", projicerade CO2-nivåer av 405ppm i 2016, nästan identisk med observerade koncentrationer. SAR inkluderade också mycket bättre behandling av antropogena aerosoler, som har en kylande effekt på klimatet.

 Projicerad uppvärmning från IPCC: s andra utvärderingsrapport (medelprojektion tjock svart linje, med övre och nedre gränsen som visas med tunna prickade svarta linjer). Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Som du kan se i diagrammet ovan, slutade SARs prognoser vara betydligt lägre än observationer, och uppvärmde 28% långsammare under perioden från 1990 till 2016. Detta berodde troligen på en kombination av två faktorer: en lägre klimatkänslighet än vad som hittades i moderna uppskattningar (2.5C vs 3C) och en överskattning av strålningsstörning av CO2 (4.37-watt per kvadratmeter jämfört med 3.7 som användes i den efterföljande IPCC-rapporten och används fortfarande idag).

IPCC: s tredje utvärderingsrapport, 2001

IPCC Tredje bedömningsrapporten (TAR) åberopade atmosfär-ocean allmänna cirkulationsmodeller (GCM) från sju olika modelleringsgrupper. De introducerade också en ny uppsättning socioekonomiska utsläppsscenarier, kallade SRES, som innefattade fyra olika framtida emissionsbanor.

Här undersöker Carbon Brief den A2-scenariot, men alla har ganska lika utsläpp och uppvärmningsbanor upp till 2020. A2-scenariot projicerade en 2016 atmosfärisk CO2-koncentration av 406 ppm, nästan samma som vad som observerades. SRES-scenarierna var från 2000 framåt, med modeller före året 2000 med beräknade historiska förskjutningar. Den streckade grå linjen i figuren ovan visar vilken punkt på vilken modell övergången från att använda observerade utsläpp och koncentrationer till projicerade framtida.

Projicerad uppvärmning från IPCC: s tredje utvärderingsrapport (medelprojektion tjock svart linje, med övre och nedre gränsen som visas med tunna punkterade svarta linjer). Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

TAR: s rubrikprojektion använde en enkel klimatmodell som konfigurerades för att matcha de genomsnittliga resultaten av sju mer sofistikerade GCM, eftersom inget specifikt multimodelmedelvärde publicerades i TAR och data för enskilda modellkörningar är inte tillgängliga. Den har en klimatkänslighet för 2.8C per fördubbling av CO2, med en rad 1.5-4.5C. Som visas i diagrammet ovan var uppvärmningshastigheten mellan 1970 och 2016 i TAR ungefär 14% lägre än vad som faktiskt har observerats.

IPCC: s fjärde bedömningsrapport, 2007

IPCC: s Fjärde bedömningsrapporten (AR4) presenterade modeller med betydligt förbättrad atmosfärisk dynamik och modellupplösning. Det gjorde större användning av jordsystemmodeller - som innehåller biogeokemi av kolcykler - samt förbättrade simuleringar av markytor och isprocesser.

AR4 använde samma SRES-scenarier som TAR, med historiska utsläpp och atmosfäriska koncentrationer fram till år 2000 och prognoser därefter. Modeller som användes i AR4 hade en genomsnittlig klimatkänslighet för 3.26C, med en rad 2.1C till 4.4C.

Projicerad uppvärmning från IPCC: s fjärde utvärderingsrapport (medelprojektion tjock svart linje, två-sigma övre och nedre gränsen som visas med tunna punkterade svarta linjer). Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

Figuren ovan visar modellkörningar för A1B-scenariot (vilket är det enda scenariot med modellkörningar som är tillgängliga, men dess 2016 CO2-koncentrationer är nästan identiska med A2-scenariot). AR4-prognoser mellan 1970 och 2016 visar uppvärmning ganska nära observationer, bara 8% högre.

IPCC: s femte bedömningsrapport, 2013

Den senaste IPCC-rapporten - den Femte bedömningen (AR5) - presenterade ytterligare förbättringar av klimatmodeller, samt en blygsam minskning av framtida modell osäkerhet jämfört med AR4. Klimatmodellerna i den senaste IPCC-rapporten var en del av Kopplad modellinterkomparisonprojekt 5 (CMIP5), där dussintals olika modelleringsgrupper runt om i världen sprang klimatmodeller med samma uppsättning insatser och scenarier.

Projicerat uppvärmning från IPCC: s femte bedömningsrapport (medelprojektion tjock svart linje, två-sigma övre och nedre gränser som visas med tunna punkterade svarta linjer). Streckad svart linje visar blandade modellfält. Diagram med Carbon Brief med Highcharts.

AR5 introducerade en ny uppsättning framtida klimatkoncentrationsscenarier, känd som Representativa Koncentrationspathways (RCP). Dessa har framtida prognoser från 2006 och framåt, med historiska data före 2006. Den grå streckade linjen i figuren ovan visar var modeller övergången från att använda observerade forcings till projicerade framtida forcings.

Att jämföra dessa modeller med observationer kan vara a lite knepig träning. De mest använda fälten från klimatmodeller är globala ytluftstemperaturer. Emellertid kommer observerade temperaturer från ytemperaturen över mark- och havytemperaturen över havet.

För att redogöra för detta har forskare nyligen skapat blandade modellfält, som inkluderar havsytemperaturer över oceanen och ytluftstemperaturer över land för att matcha det som faktiskt mäts i observationerna. Dessa blandade fält, som visas med streckad linje i bilden ovan, visar lite mindre uppvärmning än globala ytluftstemperaturer, eftersom modellerna har luften över havsuppvärmningen snabbare än havsytemperaturerna de senaste åren.

Globala ytluftstemperaturer i CMIP5-modeller har värmt om 16% snabbare än observationer sedan 1970. Om 40% av denna skillnad beror på lufttemperaturer över havsuppvärmningen snabbare än havsytemperaturerna i modellerna; Blandade modellfält visar endast uppvärmning 9% snabbare än observationer.

A senaste papperet i naturen by Iselin Medhaug och kollegor föreslår att återstoden av divergensen kan redovisas genom en kombination av kortsiktig naturlig variation (främst i Stilla havet), små vulkaner och lägre än förväntad solvolym som inte inkluderades i modellerna i deras post- 2005-projektioner.

Nedan följer en sammanfattning av alla modeller som Carbon Brief har tittat på. Tabellen nedan visar skillnaden i värmevärdet mellan varje modell eller uppsättning modeller och NASA: s temperatur observationer. Alla observatörstemperaturregistreringar är ganska lika, men NASA: s är bland den grupp som innehåller mer fullständig global täckning de senaste åren och är därmed mer direkt jämförbar med klimatmodelldata.

* SAR-trendskillnader beräknas under perioden från 1990-2016, eftersom uppskattningar före 1990 inte är tillgängliga.
# Skillnader inom parentes baserad på blandade modell land / havsfält

Slutsats

Klimatmodeller som publicerats sedan 1973 har i allmänhet varit ganska skickliga för att projicera framtida uppvärmning. Medan vissa var för låga och några för höga, visar de alla resultat relativt nära det som faktiskt har inträffat, särskilt när hänsyn tas till skillnader mellan förutsagda och faktiska CO2-koncentrationer och andra klimatförändringar.

Modeller är långt ifrån perfekta och kommer att fortsätta att förbättras över tiden. De visar också ett ganska stort utbud av framtida uppvärmning som kan inte lätt begränsas använder bara de förändringar i klimat som vi har observerat.

Den nära matchningen mellan projicerat och observerat uppvärmning sedan 1970 föreslår dock att uppskattningar av framtida uppvärmning kan visa sig vara lika exakta.

Metodisk anmärkning

Miljöforskare Dana Nuccitelli tillrådligt tillhandahållit en lista över tidigare modell / observations jämförelser, tillgängliga här.. De PlotDigitizer programvara användes för att erhålla värden från äldre siffror när data inte var tillgängliga på annat sätt. CMIP3- och CMIP5-modelldata erhölls från KNMI Klimat Explorer.

Denna artikel publicerades ursprungligen på Carbon Brief

Om författaren

Zeke Hausfather täcker forskning inom klimatvetenskap och energi med ett amerikanskt fokus. Zeke har magisterexamen i miljövetenskap från Yale University och Vrije Universiteit Amsterdam och fullgör doktorsexamen i klimatvetenskap vid University of California, Berkeley. Han har tillbringat de senaste 10-åren som datavetenskapare och entreprenör inom cleantech-sektorn.

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon