Onderzoekers van het Alfred Wegener Instituut nu, Voor de eerste keer, de resultaten van hun wereldwijde modellen rechtstreeks invoeren in de database van het Intergouvernementeel Panel inzake klimaatverandering. De gegevens zijn vooral interessant omdat het onderliggende model, ontwikkeld aan de AWI, geeft het zee-ijs en de oceanen met een veel grotere definitie weer dan conventionele methoden. De resultaten worden gebruikt door klimaatwetenschappers en belanghebbenden over de hele wereld om de effecten van klimaatverandering op mens en milieu te bepalen.

Hoeveel warmer wordt de aarde de komende decennia als gevolg van klimaatverandering? Hoe gaat dit onze wereld veranderen? Dit zijn enkele van de meest prangende vragen van onze tijd, en onderzoekers over de hele wereld gebruiken klimaatmodellen in een poging om de antwoorden te vinden. Maar het klimaat op aarde is extreem complex en het is moeilijk om het te modelleren met behulp van supercomputers. Elk klimaatmodel heeft zijn sterke en zwakke punten. Om de toekomstige klimaatontwikkelingen beter in te kunnen schatten, de resultaten van verschillende klimaatmodellen over de hele wereld worden vergeleken, doordat vergelijkingen duidelijker maken welke klimaattrend het meest waarschijnlijk is en welke mate van onzekerheid de prognoses kennen. In totaal nemen zo'n 50 onderzoeksinstellingen wereldwijd deel aan dit omvangrijke internationale project, bekend als het Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Het is uiterst belangrijk omdat de resultaten worden ingevoerd in een internationale database en de basis vormen voor de volgende IPPC (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) rapport, dat in 2021 zal worden gepubliceerd - het zesde beoordelingsrapport, AR6.

Slechts drie instellingen uit Duitsland

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, Het Alfred Wegener Instituut, Helmholtz Centrum voor Polair en Marien Onderzoek (AWI), met een eigen model, maakt deel uit van dit grote internationale vergelijkingsproject. Nog maar een paar dagen geleden, de AWI-onderzoekers hebben hun eerste gedetailleerde klimaatmodelresultaten ingevoerd in de internationale CMIP-database. "Het is heel bijzonder om deel uit te maken van een van de instellingen die een belangrijke bijdrage leveren aan de gegevens waarop het beoordelingsrapport zal worden gebaseerd, " zegt meteoroloog Dr. Tido Semmler, die de werkzaamheden van de AWI coördineert voor het internationale vergelijkingsproject CMIP. "Er zijn slechts drie onderzoeksinstellingen uit Duitsland bij betrokken:het Max Planck Instituut voor Meteorologie in Hamburg, het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum en wij." speelt het Duitse Climate Computing Center (DKRZ) in Hamburg een sleutelrol, omdat het de drie instellingen computertijd en opslagruimte biedt, evenals ondersteuning bij het uitvoeren van de simulaties en het aanleveren van gegevens.

Er is een bijzondere reden waarom de AWI nu is ingeschakeld:de experts hebben een nieuwe en, daten, weinig gebruikte methode om het klimaat te modelleren - een zogenaamd "ongestructureerd raster", wat qua klimaatonderzoek neerkomt op een minirevolutie. Tot nu, bijna alle onderzoeksgroepen over de hele wereld hebben gewerkt met zogenaamde "gestructureerde rasters". Het principe achter deze rasters is eenvoudig:aangezien het modelleren van het mondiale klimaat veel te complex is, onderzoekers verdelen de aarde en de atmosfeer in rasterdozen, kubussen met randen die meestal 100 kilometer lang zijn. In deze dozen de biologische, chemische en fysische processen die het klimaat beïnvloeden, kunnen worden gemodelleerd met behulp van supercomputers. Maar het feit dat een lengte van 100 kilometer veel te grof is om direct rekening te houden met belangrijke processen, zoals de kleine draaikolken, slechts enkele kilometers groot, in de Golfstroom en andere oceaanstromingen die leiden tot een verhoogde uitwisseling van warmte en vocht tussen de zee en de atmosfeer. Veel klimaatmodellen zijn niet in staat om het verloop van de Golfstroom nauwkeurig weer te geven, die zijn oorsprong vindt in de Golf van Mexico en noordwaarts langs de kust van Florida reist voordat hij oostwaarts richting Europa afbuigt. In veel modellen beweegt de stroming veel te ver naar het noorden omdat de kleine wervelingen niet worden meegenomen.

Een verstelbaar rooster

Idealiter zouden we een fijnmaziger globaal raster hebben met vierkanten die niet meer dan tien kilometer beslaan. Maar dat zou het aantal individuele berekeningen vergroten. Zelfs voor klimaatsimulaties van slechts enkele jaren, een mainframecomputer zou enkele weken nodig hebben. Maar experts van de AWI hebben nu een alternatief "ongestructureerd netwerk" ontwikkeld. Hierdoor kunnen de afzonderlijke rasterelementen worden verkleind - tot ongeveer tien kilometer - voor bepaalde geselecteerde regio's. Terwijl het klimaat voor de hele wereld kan worden gemodelleerd met behulp van een raster met vierkanten van normale grootte, de flexibel verstelbare mesh maakt het tot op zekere hoogte mogelijk om in te zoomen op specifieke regio's, zoals de Golfstroom. Het ongestructureerde raster heeft een interessante nieuwe dimensie toegevoegd aan klimaatmodellering, wat zeer belangrijk is voor het CMIP-proces.

Een unieke directe vergelijking

"Als een regel, in klimaatmodellering combineren we verschillende modellen die verschillende dingen simuleren, bijvoorbeeld een model dat de oceaan in detail beschrijft en een tweede model dat de processen in de atmosfeer laat zien, " legt Tido Semmler uit. " Het oceaanmodel FESOM, die we ontwikkelden, maakt gebruik van een ongestructureerd raster. Voor de sfeer, anderzijds, we gebruiken een conventioneel gestructureerd model dat is ontwikkeld aan het Max Planck Instituut voor Meteorologie." Dit maakt vergelijkingen in de context van het CMIP bijzonder interessant:het Max Planck Instituut voor Meteorologie koppelt het atmosferische model aan zijn oceaanmodel, die is gebaseerd op het traditionele raster. Maar de collega's van de AWI koppelen het atmosferische model aan hun eigen oceaanmodel, die het ongestructureerde raster gebruikt. "Wij en de CMIP-partners zien graag de directe vergelijking van deze resultaten, ", zegt Tido Semmler.

Belangrijke data voor klimaatimpactonderzoek

De resultaten van de circa 50 klimaatmodellen, die de AWI en de andere CMIP-partners momenteel invoeren in de internationale database, zal de komende twee jaar door tal van andere onderzoekers worden gebruikt. Vooral door die experts die de impact van klimaatverandering op mensen en leefgebieden op onze planeet onderzoeken. Deze onderzoeksresultaten zullen beurtelings, de basis zijn voor de IPCC-rapporten; het 6e Assessment Report en ook de samenvatting van het IPCC-rapport, het syntheserapport, die voornamelijk beleidsaanbevelingen zullen bevatten.

Voorbeeldmodelresultaten (zie grafiek online):de gemiddelde wereldwijde temperatuurtrend van 1850 tot 2100 volgens het nieuwe AWI-klimaatmodel.

Het AWI-klimaatmodel omvat de belangrijkste natuurlijke factoren van de temperatuur op aarde, zoals zonnestraling, natuurlijke broeikasgas- en aërosolconcentraties en vulkanische aërosolen. De grijze lijn geeft de controlerun weer met natuurlijke drivers en broeikasgasconcentraties van 284 ppm CO ₂ voor het jaar 1850. De zwarte lijn toont de historische gemiddelde mondiale temperatuurtrend met toenemende broeikasgasconcentraties van 1850 tot 400 ppm CO ₂ vandaag, die hebben geleid tot een netto opwarming van de aarde van circa 1 °C. De gekleurde lijnen geven de mogelijke toekomstige ontwikkeling van de gemiddelde temperatuur op aarde weer, afhankelijk van het emissiescenario.

De fluctuaties in de lijnen tonen de natuurlijke variaties in de gemiddelde wereldtemperatuur zonder uitstoot van broeikasgassen. Voor de historische trend (zwarte lijn) en de gematigde scenario's (circa 4 °C opwarming met 871 ppm CO ₂ in 2100) voor de toekomst (gele lijn), er zijn verschillende simulaties uitgevoerd om de mate van onzekerheid van de resultaten in te schatten. De AWI-modellen hebben een fluctuatiebereik van ongeveer een halve graad Celsius.

Voor het lage-emissiescenario (445 ppm CO ₂ in 2100), er zullen gezamenlijke inspanningen moeten worden geleverd om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen om de stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde te beperken tot 2 °C; met het hoge emissiescenario (1142 ppm CO ₂ in 2100) wordt aangenomen dat er geen maatregelen worden genomen om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, zodat volgens het huidige model de gemiddelde temperatuur op aarde met circa 5 °C zal stijgen.