Terwijl wetenschappers proberen te bepalen waarom sommige van de nieuwste klimaatmodellen suggereren dat de toekomst warmer zou kunnen zijn dan eerder werd gedacht, een nieuwe studie geeft aan dat de reden waarschijnlijk verband houdt met uitdagingen die de vorming en evolutie van wolken simuleren.

Het nieuwe onderzoek, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , geeft een overzicht van 39 bijgewerkte modellen die deel uitmaken van een grote internationale klimaatinspanning, de zesde fase van het Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). De modellen zullen ook worden geanalyseerd voor het komende zesde beoordelingsrapport van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

In vergelijking met oudere modellen, een subset van deze bijgewerkte modellen heeft een hogere gevoeligheid voor koolstofdioxide laten zien, dat wil zeggen meer opwarming voor een bepaalde concentratie van het broeikasgas, hoewel enkelen ook een lagere gevoeligheid vertoonden. Het eindresultaat is een groter scala aan modelreacties dan welke voorgaande generatie modellen dan ook, daterend uit het begin van de jaren negentig. Als de modellen aan de bovenkant correct zijn en de aarde echt gevoeliger is voor koolstofdioxide dan wetenschappers hadden gedacht, de toekomst zou ook veel warmer kunnen zijn dan eerder werd voorspeld. Maar het is ook mogelijk dat de updates die zijn aangebracht aan de modellen tussen het laatste intervergelijkingsproject en dit, fouten in hun resultaten veroorzaken of blootleggen.

In de nieuwe krant de auteurs probeerden de CMIP6-modellen systematisch te vergelijken met eerdere generaties en de waarschijnlijke redenen voor het uitgebreidere gevoeligheidsbereik te catalogiseren.

"Veel onderzoeksgroepen hebben al artikelen gepubliceerd die mogelijke redenen analyseren waarom de klimaatgevoeligheid van hun modellen veranderde toen ze werden bijgewerkt, " zei Gerard Meehl, een senior wetenschapper bij het National Center for Atmospheric Research (NCAR) en hoofdauteur van de nieuwe studie. "Ons doel was om te zoeken naar thema's die opkwamen, vooral bij de hooggevoelige modellen. Het ding dat steeds weer naar voren kwam, is dat cloudfeedback in het algemeen, en de interactie tussen wolken en kleine deeltjes die aerosolen worden genoemd in het bijzonder, lijken bij te dragen aan een hogere gevoeligheid."

Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation, dat is de sponsor van NCAR. Andere supporters zijn onder meer het Amerikaanse ministerie van Energie, het Helmholtz Genootschap, en Deutsches Klima Rechen Zentrum (het Duitse klimaatcomputercentrum).

Modelgevoeligheid evalueren

Onderzoekers hebben traditioneel de gevoeligheid van klimaatmodellen geëvalueerd met behulp van twee verschillende statistieken. De eerste, die in gebruik is sinds de late jaren 1970, wordt evenwichtsklimaatgevoeligheid (ECS) genoemd. Het meet de temperatuurstijging nadat het kooldioxide in de atmosfeer onmiddellijk is verdubbeld ten opzichte van het pre-industriële niveau en het model mag worden uitgevoerd totdat het klimaat stabiliseert.

Door de decennia heen, het bereik van ECS-waarden is opmerkelijk consistent gebleven - ergens rond de 1,5 tot 4,5 graden Celsius (2,7 tot 8,1 graden Fahrenheit) - zelfs als modellen aanzienlijk complexer zijn geworden. Bijvoorbeeld, de modellen opgenomen in de vorige fase van CMIP afgelopen decennium, bekend als CMIP5, had ECS-waarden variërend van 2,1 tot 4,7 C (3,6 tot 8,5 F).

De CMIP6-modellen, echter, een bereik hebben van 1,8 tot 5,6 C (3,2 tot 10 F), het verbreden van de spreiding van CMIP5 aan zowel de lage als de hoge kant. Het NCAR-gebaseerde Community Earth System-model, versie 2 (CESM2) is een van de modellen met een hogere gevoeligheid, met een ECS-waarde van 5,2 C.

Modelontwikkelaars zijn het afgelopen jaar druk bezig geweest hun modellen uit elkaar te halen om te begrijpen waarom ECS is veranderd. Voor veel groepen is de antwoorden lijken neer te komen op wolken en aerosolen. Cloudprocessen ontvouwen zich op zeer fijne schalen, waardoor ze in het verleden een uitdaging waren om nauwkeurig te simuleren in modellen op wereldschaal. In CMIP6, echter, veel modelleringsgroepen voegden complexere representaties van deze processen toe.

De nieuwe cloudmogelijkheden in sommige modellen hebben op bepaalde manieren betere simulaties opgeleverd. De wolken in CESM2, bijvoorbeeld, er realistischer uitzien in vergelijking met observaties. Maar wolken hebben een gecompliceerde relatie met klimaatopwarming:bepaalde soorten wolken weerkaatsen op sommige locaties meer zonlicht, het oppervlak afkoelen, terwijl andere het tegenovergestelde effect kunnen hebben, warmte vasthouden.

Spuitbussen, die op natuurlijke wijze kunnen worden uitgestoten door vulkanen en andere bronnen, evenals door menselijke activiteit, reflecteren ook zonlicht en hebben een verkoelend effect. Maar ze hebben ook interactie met wolken, hun formatie en helderheid veranderen en, daarom, hun vermogen om het oppervlak te verwarmen of te koelen.

Veel modelleringsgroepen hebben vastgesteld dat het toevoegen van deze nieuwe complexiteit aan de nieuwste versie van hun modellen een impact heeft op ECS. Meehl zei dat dit niet verrassend is.

"Als je meer details in de modellen stopt, er zijn meer vrijheidsgraden en meer mogelijke verschillende uitkomsten, " zei hij. "Modellen van het aardsysteem zijn tegenwoordig behoorlijk complex, met veel componenten die op elkaar inwerken op manieren die soms onvoorzien zijn. Wanneer u deze modellen uitvoert, je krijgt gedragingen die je niet zou zien in meer vereenvoudigde modellen."

Een onmeetbare hoeveelheid

ECS is bedoeld om wetenschappers iets te vertellen over hoe de aarde zal reageren op de toenemende koolstofdioxide in de atmosfeer. Het resultaat, echter, kan niet worden vergeleken met de echte wereld.

"ECS is een onmeetbare hoeveelheid, " zei Meehl. "Het is een rudimentaire metriek, gemaakt toen modellen veel eenvoudiger waren. Het is nog steeds nuttig, maar het is niet de enige manier om te begrijpen hoeveel stijgende broeikasgassen het klimaat zullen beïnvloeden."

Een van de redenen waarom wetenschappers ECS blijven gebruiken, is omdat het hen in staat stelt de huidige modellen te vergelijken met de vroegste klimaatmodellen. Maar onderzoekers hebben andere statistieken bedacht om onderweg naar klimaatgevoeligheid te kijken, inclusief de transiënte klimaatrespons (TCR) van een model. Om dat te meten, modelbouwers verhogen koolstofdioxide met 1% per jaar, samengesteld, totdat de kooldioxide is verdubbeld. Hoewel deze maatregel ook geïdealiseerd is, het kan een realistischer beeld geven van de temperatuurrespons, in ieder geval op de kortere termijn van de komende decennia.

In de nieuwe krant Meehl en zijn collega's vergeleken ook hoe TCR in de loop van de tijd is veranderd sinds het eerste gebruik in de jaren negentig. De CMIP5-modellen hadden een TCR-bereik van 1,1 tot 2,5 C, terwijl het bereik van de CMIP6-modellen slechts licht toenam, van 1,3 tot 3,0 C. Al met al, de verandering in de gemiddelde TCR-opwarming was bijna onmerkbaar, van 1,8 tot 2,0 C (3,2 tot 3,6 F).

De verandering in TCR-bereik is bescheidener dan bij ECS, wat zou kunnen betekenen dat de CMIP6-modellen niet zo anders presteren dan CMIP5-modellen bij het simuleren van de temperatuur in de komende decennia.

Maar zelfs met het grotere assortiment ECS, de gemiddelde waarde van die statistiek "is niet enorm gestegen, "Mehl zei, alleen stijgend van 3,2 naar 3,7 C.

"De high-end is hoger, maar de low-end is lager, dus de gemiddelde waarden zijn niet al te significant verschoven, " hij zei.

Meehl merkte ook op dat het grotere bereik van ECS een positief effect op de wetenschap zou kunnen hebben door meer onderzoek naar cloudprocessen en cloud-aerosol-interacties aan te moedigen, inclusief veldcampagnes om betere observaties te verzamelen van hoe deze interacties zich in de echte wereld afspelen.

"Cloud-aerosol-interacties staan ​​​​op het randje van ons begrip van hoe het klimaatsysteem werkt, en het is een uitdaging om te modelleren wat we niet begrijpen, Meehl zei. "Deze modelbouwers verleggen de grenzen van het menselijk begrip, en ik heb goede hoop dat deze onzekerheid nieuwe wetenschap zal motiveren."