Øget opvarmning i den seneste generation af klimamodeller sandsynligvis forårsaget af skyer

Mens forskere arbejder på at bestemme, hvorfor nogle af de seneste klimamodeller tyder på, at fremtiden kan blive varmere end tidligere antaget, en ny undersøgelse indikerer, at årsagen sandsynligvis er relateret til udfordringer, der simulerer dannelsen og udviklingen af ​​skyer.

Den nye forskning, udgivet i Videnskab fremskridt , giver et overblik over 39 opdaterede modeller, der indgår i en større international klimaindsats, den sjette fase af Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). Modellerne vil også blive analyseret til den kommende sjette vurderingsrapport fra det mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC).

Sammenlignet med ældre modeller, en delmængde af disse opdaterede modeller har vist en højere følsomhed over for kuldioxid - dvs. mere opvarmning for en given koncentration af drivhusgassen - selvom nogle få også viste lavere følsomhed. Slutresultatet er et større udvalg af modelresponser end nogen tidligere generation af modeller, går tilbage til begyndelsen af ​​1990'erne. Hvis modellerne i den høje ende er korrekte, og Jorden virkelig er mere følsom over for kuldioxid, end forskerne havde troet, fremtiden kan også blive meget varmere end tidligere forventet. Men det er også muligt, at de opdateringer, der er foretaget af modellerne mellem det sidste sammenligningsprojekt og dette, forårsager eller afslører fejl i deres resultater.

I det nye papir, forfatterne søgte systematisk at sammenligne CMIP6-modellerne med tidligere generationer og at katalogisere de sandsynlige årsager til det udvidede følsomhedsområde.

"Mange forskergrupper har allerede offentliggjort artikler, der analyserer mulige årsager til, at deres modellers klimafølsomhed ændrede sig, da de blev opdateret, " sagde Gerald Meehl, en seniorforsker ved National Center for Atmospheric Research (NCAR) og hovedforfatter af det nye studie. "Vores mål var at lede efter ethvert tema, der dukkede op, især med højfølsomme modeller. Det, der dukkede op igen og igen, er, at cloud-feedback generelt, og interaktionen mellem skyer og små partikler, især kaldet aerosoler, synes at bidrage til højere følsomhed."

Forskningen blev delvist finansieret af National Science Foundation, som er NCARs sponsor. Andre tilhængere omfatter det amerikanske energiministerium, Helmholtz Selskabet, og Deutsches Klima Rechen Zentrum (Tysklands klimacomputercenter).

Evaluering af modelfølsomhed

Forskere har traditionelt evalueret klimamodellers følsomhed ved hjælp af to forskellige metrikker. Den første, som har været i brug siden slutningen af ​​1970'erne, kaldes ligevægtsklimafølsomhed (ECS). Den måler temperaturstigningen efter atmosfærisk kuldioxid øjeblikkeligt er fordoblet fra førindustrielt niveau, og modellen får lov til at køre, indtil klimaet stabiliserer sig.

Gennem årtierne, intervallet af ECS-værdier er forblevet bemærkelsesværdigt konsistent – ​​et sted omkring 1,5 til 4,5 grader Celsius (2,7 til 8,1 grader Fahrenheit) – selvom modeller er blevet væsentligt mere komplekse. For eksempel, modellerne inkluderet i den forrige fase af CMIP sidste årti, kendt som CMIP5, havde ECS-værdier fra 2,1 til 4,7 C (3,6 til 8,5 F).

CMIP6-modellerne, imidlertid, har et område fra 1,8 til 5,6 C (3,2 til 10 F), udvide spredningen fra CMIP5 i både den lave og høje ende. Den NCAR-baserede Community Earth System Model, version 2 (CESM2) er en af ​​de højere følsomme modeller, med en ECS-værdi på 5,2 C.

Modeludviklere har haft travlt med at skille deres modeller ad i løbet af det sidste år for at forstå, hvorfor ECS har ændret sig. For mange grupper, svarene ser ud til at komme ned til skyer og aerosoler. Cloud-processer udfolder sig i meget fine skalaer, hvilket har gjort dem udfordrende at nøjagtigt simulere i globale modeller i fortiden. I CMIP6, imidlertid, mange modelleringsgrupper tilføjede mere komplekse repræsentationer af disse processer.

De nye cloud-funktioner i nogle modeller har produceret bedre simuleringer på visse måder. Skyerne i CESM2, for eksempel, se mere realistisk ud sammenlignet med observationer. Men skyer har et kompliceret forhold til klimaopvarmning - visse typer skyer nogle steder reflekterer mere sollys, afkøling af overfladen, mens andre kan have den modsatte effekt, fanger varme.

Aerosoler, som kan udsendes naturligt fra vulkaner og andre kilder samt ved menneskelig aktivitet, reflekterer også sollys og har en kølende effekt. Men de interagerer også med skyer, ændre deres dannelse og lysstyrke og, derfor, deres evne til at opvarme eller afkøle overfladen.

Mange modelleringsgrupper har fastslået, at tilføjelse af denne nye kompleksitet i den seneste version af deres modeller har en indvirkning på ECS. Meehl sagde, at det ikke er overraskende.

"Når du sætter flere detaljer ind i modellerne, der er flere grader af frihed og flere mulige forskellige udfald, " sagde han. "Modeller af jordsystemer i dag er ret komplekse, med mange komponenter, der interagerer på måder, der nogle gange er uventede. Når du kører disse modeller, du vil få adfærd, du ikke ville se i mere forenklede modeller."

En umålelig mængde

ECS er beregnet til at fortælle videnskabsmænd noget om, hvordan Jorden vil reagere på stigende atmosfærisk kuldioxid. Resultatet, imidlertid, kan ikke kontrolleres i forhold til den virkelige verden.

"ECS er en umålelig størrelse, " sagde Meehl. "Det er en rudimentær metrik, skabt, da modeller var meget enklere. Det er stadig nyttigt, men det er ikke den eneste måde at forstå, hvor meget stigende drivhusgasser vil påvirke klimaet."

En grund til, at forskere fortsætter med at bruge ECS, er, fordi det giver dem mulighed for at sammenligne nuværende modeller med de tidligste klimamodeller. Men forskere har fundet på andre målinger til at se på klimafølsomhed undervejs, herunder en models transiente klimarespons (TCR). For at måle det, modelbyggere øger kuldioxiden med 1 % om året, sammensat, indtil kuldioxid er fordoblet. Selvom denne foranstaltning også er idealiseret, det kan give et mere realistisk billede af temperaturrespons, i hvert fald på kortere sigt af de næste årtier.

I det nye papir, Meehl og hans kolleger sammenlignede også, hvordan TCR har ændret sig over tid siden dens første brug i 1990'erne. CMIP5-modellerne havde et TCR-område på 1,1 til 2,5 C, mens rækkevidden af ​​CMIP6-modellerne kun steg en smule, fra 1,3 til 3,0 C. Samlet set ændringen i den gennemsnitlige TCR-opvarmning var næsten umærkelig, fra 1,8 til 2,0 C (3,2 til 3,6 F).

Ændringen i TCR-området er mere beskeden end med ECS, hvilket kan betyde, at CMIP6-modellerne muligvis ikke præsterer så anderledes end CMIP5-modeller, når de simulerer temperatur i løbet af de næste flere årtier.

Men selv med det større udvalg af ECS, gennemsnitsværdien af ​​denne metrik "steg ikke et enormt beløb, " sagde Meehl, kun stiger fra 3,2 til 3,7 C.

"Den høje ende er højere, men den lave ende er lavere, så gennemsnitsværdierne har ikke ændret sig for markant, " han sagde.

Meehl bemærkede også, at det øgede udvalg af ECS kunne have en positiv effekt på videnskaben ved at anspore til mere forskning i skyprocesser og sky-aerosol-interaktioner, herunder feltkampagner for at indsamle bedre observationer af, hvordan disse interaktioner udspiller sig i den virkelige verden.

"Sky-aerosol-interaktioner er på kanten af ​​vores forståelse af, hvordan klimasystemet fungerer, og det er en udfordring at modellere det, vi ikke forstår, " sagde Meehl. "Disse modelbyggere flytter grænserne for menneskelig forståelse, og jeg håber, at denne usikkerhed vil motivere ny videnskab."