Como bem os modelos climáticos projetaram o aquecimento global?

Como bem os modelos climáticos projetaram o aquecimento global?

Os cientistas têm feito projeções do aquecimento global futuro usando modelos climáticos de crescente complexidade nas últimas quatro décadas.

Esses modelos, impulsionados pela física atmosférica e biogeoquímica, desempenham um papel importante em nossa compreensão do clima da Terra e como isso provavelmente mudará no futuro.

A Carbon Brief coletou projeções proeminentes de modelos climáticos desde a 1973 para ver quão bem elas projetam temperaturas globais passadas e futuras, como mostrado na animação abaixo. (Clique no botão play para começar.)

Enquanto alguns modelos projetaram menos aquecimento do que experimentamos e alguns projetaram mais, todos mostraram aumentos de temperatura da superfície entre 1970 e 2016 que não estavam muito distantes do que realmente ocorreu, particularmente quando as diferenças nas emissões futuras assumidas são levadas em consideração.

Como os modelos climáticos do passado se saíram?

Enquanto as projeções do modelo climático do passado se beneficiam do conhecimento das concentrações atmosféricas de gases de efeito estufa, erupções vulcânicas e outras Forças radiativas afetando o clima da Terra, lançando para o futuro é compreensivelmente mais incerto. Os modelos climáticos podem ser avaliados tanto por sua capacidade de atrasar as temperaturas passadas quanto por prever as futuras.

Hindcasts - testando modelos contra temperaturas passadas - são úteis porque podem controlar forças forçadas. As previsões são úteis porque os modelos não podem ser sintonizado implicitamente ser semelhante às observações. Modelos climáticos são não serve para temperaturas históricas, mas os modeladores têm algum conhecimento de observações que podem informar sua escolha of parametrizações do modelo, como física de nuvens e efeitos de aerossol.

Nos exemplos abaixo, as projeções do modelo climático publicadas entre 1973 e 2013 são comparadas com as temperaturas observadas cinco organizações diferentes. Os modelos utilizados nas projeções variam em complexidade, desde simples modelos de balanço de energia para totalmente acoplado Modelos do Sistema Terrestre.

(Observe que essas comparações modelo / observação usam um período de linha de base de 1970-1990 para alinhar observações e modelos durante os primeiros anos da análise, o que mostra como as temperaturas evoluíram com o tempo de forma mais clara.)

Sawyer, 1973

Uma das primeiras projeções de aquecimento futuro veio John Sawyer no Met Office do Reino Unido em 1973. Em um papel publicado na Nature em 1973, ele supôs que o mundo aqueceria 0.6C entre 1969 e 2000, e que CO2 atmosférico aumentaria em 25%. Sawyer defendeu um sensibilidade climática - quanto aquecimento a longo prazo irá ocorrer por duplicação dos níveis atmosféricos de CO2 - de 2.4C, que não está muito longe melhor estimativa 3C usado pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) hoje.

Ao contrário das outras projeções examinadas neste artigo, Sawyer não forneceu um aquecimento estimado para cada ano, apenas um valor 2000 esperado. Sua estimativa de aquecimento do 0.6C foi quase perfeita - o aquecimento observado durante esse período foi entre 0.51C e 0.56C. Ele superestimou as concentrações atmosféricas de CO2000 no ano 2, no entanto, assumindo que elas seriam 375-400ppm - em comparação com o real valor de 370ppm.

Broecker, 1975

A primeira projeção disponível de temperaturas futuras devido ao aquecimento global artigo em Ciência em 1975 publicado por cientista da Columbia University Prof Wally Broecker. Broecker usou um modelo simples de balanço de energia para estimar o que aconteceria com a temperatura da Terra se CO2 atmosférico continuasse a aumentar rapidamente após 1975. O aquecimento projetado de Broecker foi razoavelmente próximo das observações por algumas décadas, mas recentemente foi consideravelmente maior.

Isso se deve principalmente ao fato de Broecker ter superestimado como as emissões da CO2 e as concentrações atmosféricas aumentariam depois que seu artigo fosse publicado. Ele era bastante preciso até o 2000, prevendo 373ppm de CO2 - comparado com as observações reais de Mauna Loa de 370ppm. No 2016, no entanto, ele estimou que o CO2 seria 424ppm, enquanto apenas 404 pm foi observado.

Broecker também não considerou outros gases de efeito estufa em seu modelo. No entanto, como o impacto do aquecimento metano, óxido nitroso e halocarbonos foi em grande parte cancelado pelo influência global de resfriamento de aerossóis desde 1970, isso não faz grande diferença (embora estimativas de forçantes de aerossóis tem grandes incertezas).

Tal como acontece com Sawyer, Broecker usou uma sensibilidade climática de equilíbrio de 2.4C por duplicação de CO2. Broecker assumiu que a Terra se aquece instantaneamente para coincidir com o CO2 atmosférico, enquanto os modelos modernos respondem pela defasagem entre a rapidez com que a atmosfera e os oceanos se aquecem. (A absorção de calor mais lenta pelos oceanos é muitas vezes referida comoinércia térmica"Do sistema climático.)

Você pode ver sua projeção (linha preta) em relação ao aumento de temperatura observado (linhas coloridas) no gráfico abaixo.

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Aquecimento projetado do Broecker 1975 (linha preta grossa) em comparação com registros de temperatura NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan e Caminhoe Berkeley Terra (linhas coloridas finas) de 1970 para 2020. Período de linha de base de 1970-1990. Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

Broecker fez sua projeção em um momento em que os cientistas pensavam que as observações mostrou um arrefecimento modesto da Terra. Ele começou seu artigo declarando prescientemente que “pode-se argumentar que a atual tendência de resfriamento dará lugar, dentro de uma década, a um pronunciado aquecimento induzido pelo dióxido de carbono”.

Hansen et al, 1981

Da NASA Dr. James Hansen e colegas publicou um artigo em 1981 que também usou um modelo de balanço de energia simples para projetar o aquecimento futuro, mas foi responsável pela inércia térmica devido à absorção de calor do oceano. Eles assumiram uma sensibilidade climática de 2.8C por dobrar CO2, mas também analisaram uma faixa de 1.4-5.6C por duplicação.

Aquecimento projetado de Hansen et al 1981 (crescimento rápido - linha preta grossa - e crescimento lento - fina linha cinza). Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

Hansen e seus colegas apresentaram vários cenários diferentes, variando as emissões futuras e a sensibilidade climática. No gráfico acima, você pode ver tanto o cenário de “rápido crescimento” (linha preta espessa), onde as emissões CO2 aumentam 4% anualmente após a 1981, e um cenário de crescimento lento onde as emissões aumentam anualmente 2% (linha cinza fina ). O cenário de crescimento rápido de certa forma superestima as emissões atuais, mas quando combinado com uma sensibilidade climática ligeiramente menor, fornece uma estimativa de aquecimento antecipado dos 2000s próximos aos valores observados.

A taxa global de aquecimento entre 1970 e 2016 projetada por Hansen et al em 1981 no cenário de crescimento rápido tem sido cerca de 20% menor que as observações.

Hansen et al, 1988

O artigo publicado Hansen e colegas da 1988 representaram um dos primeiros modelos climáticos modernos. Ele dividiu o mundo em células de grade discretas de oito graus de latitude por 10 graus de longitude, com nove camadas verticais da atmosfera. Incluía aerossóis, vários gases de efeito estufa além do CO2 e a dinâmica básica da nuvem.

Hansen et al apresentaram três cenários diferentes associados a diferentes emissões futuras de gases de efeito estufa. O cenário B é mostrado no gráfico abaixo como uma linha preta grossa, enquanto os cenários A e C são mostrados por linhas cinza finas. O cenário A teve um crescimento exponencial nas emissões, com CO2 e outras concentrações de GEE consideravelmente maiores do que hoje.

Aquecimento projetado de Hansen et al 1988 (cenário de linha preta de espessura B - e cenários A e C - linhas finas e tracejadas em cinza). Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

O cenário B assumiu uma desaceleração gradual nas emissões de CO2, mas teve concentrações de 401ppm no 2016 que estavam bem perto do 404ppm observado. No entanto, o cenário B assumiu o crescimento contínuo das emissões de vários halocarbonos que são poderosos gases de efeito estufa, mas foram posteriormente Protocolo de Montreal de 1987. O cenário C teve emissões próximas de zero após o ano 2000.

Dos três, o cenário B foi o mais próximo do forçamento radiativo real, embora ainda cerca de 10% muito alto. Hansen et al também usaram um modelo com sensibilidade climática de 4.2C por duplicação de CO2 - na extremidade mais alta dos modelos climáticos mais modernos. Devido à combinação desses fatores, o cenário B projetou uma taxa de aquecimento entre 1970 e 2016 que foi aproximadamente 30% maior do que foi observado.

Primeiro Relatório de Avaliação do IPCC, 1990

O IPCC Primeiro relatório de avaliação (FAR) na 1990 apresentava modelos relativamente simples de balanço de energia / difusão oceânica para estimar mudanças nas temperaturas globais do ar. O cenário de business-as-usual (BAU) apresentado pressupõe um crescimento rápido do CO2 atmosférico, atingindo 418ppm CO2 em 2016, em comparação com 404ppm em observações. O FAR também assumiu o crescimento contínuo das concentrações de halocarbono atmosférico muito mais rápido do que realmente ocorreu.

O FAR forneceu a melhor estimativa de sensibilidade climática, já que o 2.5C aqueceu para CO2 duplicado, com um intervalo de 1.5-4.5C. Essas estimativas são aplicadas ao cenário BAU na figura abaixo, com a linha preta grossa representando a melhor estimativa e as linhas pretas tracejadas finas representando a extremidade alta e baixa da faixa de sensibilidade climática.

Aquecimento projetado do Primeiro Relatório de Avaliação do IPCC (projeção média - linha preta espessa, com os limites superior e inferior mostrados por linhas pretas pontilhadas). Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

Apesar de uma melhor estimativa da sensibilidade climática ser um pouco menor que a 3C usada hoje, a FAR superestimou a taxa de aquecimento entre 1970 e 2016 em cerca de 17% em seu cenário BAU, mostrando o aquecimento 1C durante esse período vs. 0.85C observado. Isso se deve principalmente à projeção de concentrações de CO2 atmosféricas muito mais altas do que as que realmente ocorreram.

Segundo Relatório de Avaliação do IPCC, 1995

O IPCC Segundo relatório de avaliação (SAR) publicou apenas projeções prontamente disponíveis da 1990 em diante. Eles usaram uma sensibilidade climática de 2.5C, com uma gama de 1.5-4.5C. O seu cenário de emissões médias, “IS92a”, projetou os níveis de CO2 de 405ppm em 2016, quase idênticos às concentrações observadas. A SAR também incluiu um tratamento muito melhor de aerossóis antropogênicos, que têm um efeito de resfriamento no clima.
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Aquecimento projetado a partir do Segundo Relatório de Avaliação do IPCC (linha preta de média projeção - com os limites superior e inferior mostrados por linhas pretas pontilhadas). Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

Como você pode ver no gráfico acima, as projeções do SAR acabaram sendo notavelmente menores que as observações, aquecendo cerca de 28% mais lentamente no período de 1990 para 2016. Isto foi provavelmente devido a uma combinação de dois fatores: uma sensibilidade climática mais baixa do que a encontrada nas estimativas modernas (2.5C vs. 3C) e uma superestimativa Forçamento radiativo de CO2 (4.37 watts por metro quadrado versus 3.7 usado no relatório subsequente do IPCC e ainda usado hoje).

Terceiro Relatório de Avaliação do IPCC, 2001

O IPCC Terceiro Relatório de Avaliação (TAR) baseou-se nos modelos de circulação geral oceano-atmosfera (GCMs) de sete grupos de modelagem diferentes. Eles também introduziram um novo conjunto de cenários de emissões socioeconômicas, chamado SRES, que incluiu quatro diferentes trajetórias futuras de emissão.

Aqui, Carbon Brief examina o Cenário A2, embora todos tenham emissões e trajectórias de aquecimento bastante semelhantes até ao 2020. O cenário A2 projetou uma concentração de 2016 CO2 atmosférico de 406 ppm, quase o mesmo que foi observado. Os cenários SRES foram do 2000 em diante, com modelos anteriores ao ano 2000 usando estimativas históricas estimadas. A linha cinza tracejada na figura acima mostra o ponto em que os modelos transitam do uso de emissões e concentrações observadas para futuras projetadas.

Aquecimento projetado a partir do Terceiro Relatório de Avaliação do IPCC (média da projeção - linha preta espessa, com os limites superior e inferior mostrados por linhas pretas pontilhadas). Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

A projeção principal da TAR usou um modelo climático simples que foi configurado para corresponder às saídas médias de sete GCMs mais sofisticados, já que nenhuma média específica do multimodelo foi publicada no TAR e os dados para execuções de modelos individuais não estão prontamente disponíveis. Tem uma sensibilidade climática de 2.8C por duplicar CO2, com uma gama de 1.5-4.5C. Como mostrado no gráfico acima, a taxa de aquecimento entre 1970 e 2016 no TAR foi cerca de 14% menor do que o que foi realmente observado.

Quarto Relatório de Avaliação do IPCC, 2007

O IPCC Quarto relatório de avaliação (AR4) apresentou modelos com dinâmicas atmosféricas e resolução de modelos significativamente melhoradas. Ele fez um uso maior dos Modelos de Sistemas Terrestres - que incorporam a biogeoquímica dos ciclos de carbono - bem como simulações aprimoradas de processos de superfície e gelo.

A AR4 usou os mesmos cenários SRES do TAR, com emissões históricas e concentrações atmosféricas até o ano 2000 e projeções posteriores. Os modelos usados ​​no AR4 tinham uma sensibilidade climática média de 3.26C, com uma gama de 2.1C a 4.4C.

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Aquecimento projetado a partir do Quarto Relatório de Avaliação do IPCC (média da projeção - linha preta espessa, limites superior e inferior de dois sigma mostrados por linhas pretas com pontos finos). Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

A figura acima mostra execuções de modelo para o cenário A1B (que é o único cenário com execuções de modelo prontamente disponíveis, embora suas concentrações 2016 CO2 sejam quase idênticas às do cenário A2). Projeções de AR4 entre 1970 e 2016 mostram um aquecimento bastante próximo das observações, apenas 8% maior.

Quinto Relatório de Avaliação do IPCC, 2013

O mais recente relatório do IPCC - o Quinta avaliação (AR5) - apresentou refinamentos adicionais em modelos climáticos, bem como uma redução modesta na incerteza do modelo futuro em comparação com a AR4. Os modelos climáticos do último relatório do IPCC faziam parte do Projeto de intercomparação de modelo acoplado 5 (CMIP5), onde dezenas de grupos de modelagem diferentes em todo o mundo executavam modelos climáticos usando o mesmo conjunto de entradas e cenários.

Aquecimento projetado do Quinto Relatório de Avaliação do IPCC (média da projeção - linha preta espessa, limites superior e inferior de dois sigma mostrados por linhas pretas com pontos finos). A linha preta tracejada mostra campos de modelos combinados. Gráfico de Carbon Brief usando Highcharts.

A AR5 introduziu um novo conjunto de futuros cenários de concentração de gases de efeito estufa, conhecido como Pathways Concentração representativos (RCPs). Estes têm projeções futuras do 2006 em diante, com dados históricos anteriores ao 2006. A linha pontilhada cinza na figura acima mostra onde os modelos fazem a transição do uso de forças observadas para forçamentos futuros projetados.

Comparar esses modelos com observações pode ser um exercício um tanto complicado. Os campos usados ​​com mais freqüência nos modelos climáticos são as temperaturas do ar na superfície global. No entanto, as temperaturas observadas vêm das temperaturas do ar da superfície sobre a superfície e a temperatura da superfície do mar sobre o oceano.

Para explicar isso, mais recentemente, os pesquisadores criaram campos modelo mistos, que incluem temperaturas da superfície do mar sobre os oceanos e temperaturas do ar da superfície sobre a terra, a fim de coincidir com o que realmente é medido nas observações. Esses campos mistos, mostrados pela linha tracejada na figura acima, mostram um aquecimento ligeiramente menor do que as temperaturas do ar da superfície global, já que os modelos têm o ar sobre o oceano aquecendo mais rápido do que as temperaturas da superfície do mar nos últimos anos.

As temperaturas globais do ar da superfície nos modelos CMIP5 aqueceram cerca de 16% mais rápido do que as observações desde o 1970. Cerca de 40% desta diferença deve-se às temperaturas do ar sobre o oceano que aquecem mais rapidamente do que as temperaturas da superfície do mar nos modelos; Os campos do modelo misturado mostram apenas o aquecimento 9% mais rápido que as observações.

A artigo recente na Nature by Iselin Medhaug e colegas sugerem que o restante da divergência pode ser explicado por uma combinação de variabilidade natural de curto prazo (principalmente no Oceano Pacífico), pequenos vulcões e uma produção solar menor do que a esperada que não foi incluída nos modelos em sua pós-produção. Projeções 2005.

Abaixo está um resumo de todos os modelos que a Carbon Brief analisou. A tabela abaixo mostra a diferença na taxa de aquecimento entre cada modelo ou conjunto de modelos e Da NASA observações de temperatura. Todos os registros observacionais de temperatura são bastante semelhantes, mas a NASA está entre o grupo que inclui cobertura global mais completa nos últimos anos e é, portanto, mais diretamente comparável aos dados do modelo climático.

Como bem os modelos climáticos projetaram o aquecimento global?

* As diferenças de tendência de SAR são calculadas durante o período de 1990-2016, uma vez que as estimativas anteriores à 1990 não estão prontamente disponíveis.
# Diferenças entre parênteses baseadas em campos de terra / oceano modelo mistos

Conclusão

Os modelos climáticos publicados desde a 1973 têm sido geralmente bastante habilidosos em projetar o aquecimento futuro. Enquanto alguns eram muito baixos e outros muito altos, todos mostram resultados razoavelmente próximos do que realmente ocorreu, especialmente quando as discrepâncias entre as concentrações previstas e reais da CO2 e outras forçantes do clima são levadas em consideração.

Os modelos estão longe de serem perfeitos e continuarão a melhorar com o tempo. Eles também mostram uma gama bastante grande de aquecimento futuro que não pode ser facilmente reduzido usando apenas as mudanças no clima que observamos.

No entanto, a estreita correspondência entre o aquecimento projetado e observado desde o 1970 sugere que as estimativas de aquecimento futuro podem ser igualmente precisas.

Nota metodológica

Cientista ambiental Dana Nuccitelli forneceu uma lista de comparações de modelos / observações anteriores, disponíveis aqui. o Software PlotDigitizer foi usado para obter valores de figuras antigas quando os dados não estavam disponíveis de outra forma. Os dados do modelo CMIP3 e CMIP5 foram obtidos de KNMI Climate Explorer.

Este artigo foi publicado originalmente em Breve Carbono

Sobre o autor

Zeke Hausfather cobre pesquisas em ciência do clima e energia com foco nos EUA. Zeke tem mestrado em ciências ambientais pela Universidade de Yale e Vrije Universiteit Amsterdam, e está completando seu doutorado em ciência do clima na Universidade da Califórnia, Berkeley. Ele passou os últimos anos da 10 trabalhando como cientista de dados e empresário no setor de tecnologia limpa.

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