Твърдение „Климатичните модели не са надеждни
"Климатичните модели са ненадеждни, във всеки случай са безполезни за надеждни прогнози или дори за широкообхватни политически решения."
Факт е: Компютърните модели вече могат да симулират добре климатичната система на Земята
Изследванията постигнаха голям напредък в моделирането на климатичната система през последните няколко десетилетия. Въпреки известната неяснота, благодарение на сложни модели и мощни компютри, отдавна е възможно надеждно да се реконструират предишните климатични промени и да се проектират бъдещи разработки. Качеството на моделите може да се види, например, ако се сравнят предишни прогнози с реалността, наблюдавана по-късно.
Климатичните модели са изключително сложни компютърни програми. Те се използват за симулиране на развитие и взаимодействия между отделните компоненти на земната климатична система - например на атмосферата и океаните, на облаците, снежните и ледените маси или на различни геоложки, биологични и химични процеси.
Първите, все още много прости климатични модели са разработени през 60-те години (вж. Напр. Manabe/Bryan 1969). Но дори тези груби модели получиха - с днешните познания - относително точни резултати: Manabe/Wetherald очаква повишаване на температурата с около 2 ° C през 1967 г., когато съдържанието на въглероден диоксид в земната атмосфера се удвои. Всъщност хората междувременно са увеличили концентрацията на CO2 с около 50 процента в сравнение с доиндустриалните нива - а земята се е затоплила с почти един градус по Целзий. (Текущите оценки на така наречената „чувствителност към климата“ са между 1,5 ° C и 4,5 ° C.)
През десетилетията се появяват все по-усъвършенствани модели. Най-често срещаните днес са от една страна „модели на земни системи със средна сложност“ (съкращение: EMIC), които са умишлено опростени и с които могат да се симулират по-дълги периоди от време (векове или хилядолетия). В допълнение, така наречените „глобални циркулационни модели“ (съкращение: GCM) се използват за проектиране на развитието на климата през следващите десетилетия, които възпроизвеждат отделни части от климатичната система и тяхното взаимодействие възможно най-точно. Но въпреки цялата сложност, климатичните модели естествено остават опростени представяния на реалността.
За прилагането на климатичните модели земята е покрита с триизмерна решетка, след което отделните параметри се изчисляват за всяка решетъчна клетка и обменът със съседни клетки. Благодарение на все по-бързите високопроизводителни компютри, все повече физически процеси могат да бъдат интегрирани в климатичните модели. По-специално, процесите в океаните вече могат да бъдат представени в моделите по много по-подробен и естествен начин.
За да се намалят несигурностите в резултатите, изследователите обикновено използват различни модели или дават един и същ модел да работи в много голям брой. Следователно за резултатите от климатичните модели обикновено се публикуват средните стойности на много изчисления, както и обхватът на получените резултати. За да се подчертаят границите на климатичното моделиране, изследванията не говорят за климатични „прогнози“, а за климатични „прогнози“, тъй като всяка симулация се основава на определени предположения за бъдещето, например за емисиите на парникови газове. Те са трудно предвидими и разбира се могат да бъдат повлияни от хората и тяхното поведение.
Колко „добри“ са днешните климатични модели?
Петият доклад за оценка на IPCC от 2013/14 г. разглежда подробно този въпрос на повече от сто страници (том 1, глава 9). Ясното заключение е (немски превод на SPM, стр. 13):
"Моделите отразяват наблюдаваните модели и тенденции [на климата] в продължение на много десетилетия на повърхностна температура в континентален мащаб, включително увеличеното затопляне от средата на 20-ти век и охлаждането непосредствено след големи вулканични изригвания."
Всъщност има две причини зад въпроса за качеството на климатичните модели:
- Могат ли климатичните модели точно да реконструират миналото?
- И те могат да изготвят надеждни прогнози?
Отговорът на първия въпрос е относително лесен, тъй като в миналото човек може да сравнява резултатите от моделирането с действително измерените температури. Фигура 1 показва моделни изчисления за средната температура на земята от средата на 19 век - както с човешко влияние, така и без него. Ясно се вижда (в най-горната част на графиката), че климатичните модели могат да възпроизвеждат реалните измерени температури (черна крива на зигзаг) като взаимодействие на природни и антропогенни влияния.
Илюстрация 1: Сравнение между реалното наблюдавано развитие на средната температура на земята (всяка черна крива, комбинирана от три отделни набора от данни) и изчисленията на климатичния модел. Фините оранжеви и синкави линии показват резултатите от отделни изчисления на модела, удебелената червена или синя крива съответната средна стойност. По-горе (а) моделите отчитат естествените и човешки влияния върху климата, в средата (б) само естествените влияния (напр. Колебания в слънчевата активност и вулканични изригвания), а отдолу (в) са показани симулации на развитието на температурата от 19-ти век които отчитат само изкуствените емисии на парникови газове. Реалните измерени стойности и резултатите от модела в графика (а) явно съвпадат най-добре; и графика (в) показва, че глобалното затопляне през последните няколко десетилетия би било по-високо (червени линии), отколкото беше в реално изражение (черна линия), без ефекта от природните климатични влияния, така че природните влияния донякъде са намалили причиненото от човека затопляне. Източник: IPCC 2013, AR5, WG1, глава 10, фигура 10.01 (откъс)
Петият доклад за оценка на IPCC съдържа графика, в която съответствието между компютърни модели и реални наблюдения е показано отделно за отделните континенти и за температурите на въздуха, топлинното съдържание на океаните и степента на морския лед (Фигура 2).
Фигура 2: Сравнение на наблюдаваното и симулирано изменение на климата въз основа на три мащабни показателя в атмосферата, криосферата и океана: промени в континенталната температура на повърхността на сушата (кутии, подчертани в жълто), степента на арктическия и антарктически морски лед през септември (бели кутии с черна рамка), както и Топлинното съдържание на горния океански слой в големите океански басейни (бели кутии със сини рамки). Показани са и средните глобални промени (трите графики в долния ред). Всички времеви редове са десетгодишни средни стойности, които са отбелязани в средата на десетилетието. Черната линия показва действително наблюдаваните температури, червените излюпени области - резултатите от онези климатични модели, които вземат предвид природните и човешки фактори - съответствието е очевидно. Източник: IPCC 2013, WG1, Фигура SPM.6
Същото важи и за по-дълги периоди от време и гореспоменатите EMIC климатични модели, както е показано например от проучване, което сравнява данните за температурата и резултатите от моделите до 850 (Eby et al. 2013). По-нови проучвания, които сравняват наблюдателни данни за затоплянето на океаните с резултатите от моделни изчисления, потвърждават голямото съгласие (Cheng et al. 2016, Gleckler et al. 2016). Дори временното забавяне на затоплянето след 1998 г. (понякога неправилно наричано „пауза за затопляне“) не променя фундаменталната надеждност на днешните климатични модели - тъй като отделните модели на модели също водят до фази с бързо или бавно затопляне.
Могат ли компютърните модели да предскажат бъдещия климат?
Понякога критиците на климатичните изследвания казват, че учените дори не могат да предвидят времето през следващите няколко седмици - как би трябвало това да работи за климата след няколко десетилетия? Този (реторичен) въпрос се основава на липсата на разграничение между времето и климата: първият всъщност е непредсказуем и трудно предвидим за дълги периоди от време, докато вторият е дългосрочна средна стойност на времето. Вярно е, че трудно можете да предскажете времето повече от две седмици предварително - но през зимата, например, можете да предскажете с много висока степен на сигурност, че шест месеца по-късно ще бъде по-топло.
Но, разбира се, прогнозите за климата създават редица трудности. Например бъдещата активност на слънцето е трудно да се предвиди, а краткосрочните влияния като вулканични изригвания са трудни за предвиждане. Начините на действие на най-важните фактори, които влияят на климата, са известни отдавна. В края на 80-те години американският климатолог Джеймс Хансен публикува прогнози за бъдещи температурни промени (Hansen et al. 1988). Тези ранни изчисления вече показват - виж Фигура 3 - доста добро съгласие с последващи наблюдения (Hansen et al. 2006). И оттогава, както казах, климатичните модели са значително подобрени.
Фигура 3: Сравнение на симулации на глобални температурни промени и последващи реални наблюдения - зелено, синьо и лилаво показват глобалната повърхностна температура за различни сценарии на човешки емисии на парникови газове, червено и черно показват два различни анализа на реални данни от наблюденията; Източник: Hansen 2006
Най-тясната корелация с по-късните реално измерени температури е показана от сценария Б. на Хансен. Самият той някога е смятал, че това е най-вероятният вариант, но по-късно той всъщност показва най-голямото съответствие с постигнатите в действителност емисии на CO2. Има отклонения от година на година - но те са очаквани. Непредсказуемата природа на времето може да затрудни определянето на човешкото въздействие, но общата тенденция е предсказуема.
С изригването на филипинския вулкан Pinatubo през 1991 г. се появи възможността да се разбере колко точни са прогнозите, направени от модели за въздействието на сулфатните аерозоли върху климата. Резултат: Моделите точно прогнозираха временното глобално охлаждане от около 0,5 ° C, което скоро последва изригването (вж. Фигура 4). Още повече: ефектите на обратната връзка от слънчевата радиация и водната пара, например, които са се вливали в моделите, също са потвърдени количествено (Hansen 2007).
Фигура 4: Всъщност наблюдавани и симулирани глобални колебания на температурата след изригването на Пинатубо - температурата, наблюдавана от метеорологичните станции, е маркирана в зелено, температурите на сушата и морето в синьо. Средният резултат от моделирането е показан в червено - спадът на глобалната температура с около 0,5 градуса по Целзий една година след изригването е доста точен, както и последващото постепенно нарастване (зигзагът на краткосрочните колебания е нормален); Източник: Hansen 2007
През годините изследователите са успели да идентифицират, изолират и възпроизведат с климатични модели влиянието на природните фактори върху климатичната система (като вулканична дейност или океанския феномен El Niño) (Fyfe et al. 2010).
Колко са "добри" климатичните модели сега, ясно се вижда от интернет блога RealClimate, който се води от активни изследователи на климата: резултатите от изчисленията на модели от миналото непрекъснато показват температурите, измерени по-късно в действителност - можете да видите резултата тук поглед: Кривите на реалното затопляне се движат доста точно в диапазона на колебанията, който моделите бяха изчислили предварително.
Неизмерими в климатичните прогнози
Едно твърдение, което се прави понякога, е, че климатичните модели преувеличават ефектите от натрупването на CO2 в атмосферата. По принцип несигурността може да се прояви както в преувеличение, така и в подценяване. Вярно е обаче, че моделите на земната климатична система имат по-голяма несигурност нагоре, отколкото надолу. Отговорни за това обаче не са каквито и да било намерения на изследователите на климата, които програмират тези модели - по-скоро, както обясняват в статия американските физици на атмосферата Роу и Бейкър, това е „неизбежна последица“ от основните характеристики на климатичната система (Roe/Baker 2007): Защото това Точната степен на повишаване на температурата с фиксирано увеличение на парниковите газове зависи много силно от различни процеси на обратна връзка и общият ефект на които е усилващ, има по-големи несигурности с горната граница на очакваните температури, отколкото с долната граница.
В действителност имаше и има резултати от модели, при които промените в климата бяха надценени - но също така цяла поредица от тях се оказа твърде консервативна в ретроспекция, което означава, че реалността дори ги е надминала. Например Rahmstorf et al. 2012 г. показа, че нивата на морето са се повишили по-рязко от 90-те години на миналия век, отколкото някога се прогнозираха в докладите за оценка на IPCC въз основа на моделни изчисления (Фигура 5). Според сателитните измервания средното увеличение между 1993 и 2010 е 3,2 mm годишно, докато Третият доклад за оценка на IPCC от 2001 г., например, очаква годишно увеличение от около 2 mm.
Фигура 5: Промяната в измерванията на морското равнище - приливът е показан в оранжево, а сателитните данни са достъпни само от началото на 90-те години в червено. Синята област показва прогнозите на третия доклад на IPCC от 2001 г. (със синя линия като средна стойност), зелените линии показват горната и долната граница и средните стойности от четвъртия доклад за оценка на IPCC. Реалното развитие беше в горния ръб или над предходните проекции на модела; Източник: Rahmstorf et al. 2012 г.
Разтопяването на арктическия морски лед през летните месеци също беше много по-силно и по-бързо от прогнозираното в климатичните модели (Фигура 6).
Фигура 6: Промяна в обхвата на арктическия морски лед, във всеки случай за месец септември всяка година, в милиони квадратни километри - удебелената червена линия показва реалното развитие от средата на 20-ти век, фините цветни линии показват резултатите от 13 различни модела от Четвъртия IPCC- Доклад за състоянието, удебелената черна линия означава средната стойност на него; Източник: IPCC/NSDC/Nasa/AWI
Колко точно можете да очаквате?
Понякога се казва, че човечеството трябва да изчака с мерки за опазване на климата, докато резултатите от климатичните модели са напълно сигурни. Но дори и при перфектни модели, несигурността ще остане поради основно хаотичния характер на климатичната система. Да се симулират всички тънкости на климата е невъзможно от човешка гледна точка - но моделите вече са толкова далеч, че могат надеждно да симулират дългосрочни климатични тенденции.
Така че, ако искате да изчакате абсолютна сигурност в отговора на всички въпроси, свързани с климата, никога не бихте могли да направите нищо. Обикновено обаче хората вече действат, когато има определена вероятност: Всеки, който знае с 95 процента сигурност, че автомобилна катастрофа ще се случи на опасни места с прекомерна скорост (според IPCC, също толкова сигурно е, че хората са основната причина за глобалното затопляне), ще атакува там спазвайте ограничението на скоростта. Между другото, в политиката е всичко друго, но необичайно да се вземат решения въз основа на несигурни факти: По време на преговорите за бюджета, например, политиците разчитат на данъчни оценки, които са далеч от 95 процента надеждни.