Klimamodeller
Av Harald Pleym
www.hpleym.no

 

Det er to hovedmåter å nærme seg problemet med å forutsi hvordan klimaet vil bli i framtiden.

Empirisk metode

Eksponenten for den empiriske måten å "spå" klimaet på var den russiske atmosfæreforsker Mikhail. Budyko (1920-2001).

I Budyko's "varmere verden" vil for eksempel ørkenområdene i Sahara få en økning i nedbøren på rundt 30 cm per år i løpet av andre halvdel i dette århundre eller noe lengre fram i tid. Temperaturen vil da globalt kunne være ca. 2.5°C høyere enn i dag, tilsvarende de forholdene som man hadde for ca. 120 000 år siden. Da fantes det ingen ørkenområder som i dag i følge Budyko.
 

Budyko angir disse varme periodene i løpet av de siste 4 millioner år i boka "Prospects for Future Climate, A Special US/USSR Report on Climate and Climate Change, 1990":

 

 

Paleoklimatiske rekonstruksjoner av klimaet i de tre periodene

 

er vist i det som følger.  Rekonstruksjonene er basert på data fra 300 kontinentale områder rundt på kloden. Figurene og teksten til figurene taler for seg.

 

6000-5000 år siden

 

Overflatetemperatur (C) for januar og februar

 

Overflatetemperatur (C) for juli og august

 

Årlig nedbør (mm/år)



 

125 000 år siden



Overflatetemperatur (C) for januar og februar


 

 

Overflatetemperatur (C) for juli og august

 

Årlig nedbør (mm/år)

 

 

4.3 - 3.3 millioner år siden

 

Overflatetemperatur (C) for januar og februar

 

Overflatetemperatur (C) for juli og august

 

Årlig nedbør (mm/år)

 

Det er på basis av det forskningsarbeidet som ligger bak disse figurene, og som indikerer i følge Budyko at kloden går en bedre framtid i møte som en følge av den globale oppvarmingen.
 

Typer av klimamodeller

Det finnes fire hovedtyper av klimamodeller og mange varianter av modeller innenfor hver type. Dette er en styrke for klimaforskningen. Men vi trenger betydelig bedre modeller både på regional og global skala. Kunnskapene om vekselvirkningsprosesser der skyene inngår er mangelfulle, likeledes beskrivelsen av hydrologiske prosser. Koblingen mellom hav og atmosfære er ikke godt nok ivaretatt.

De fire hovedtypene av modeller er:

 

 

Parametrisering

Viktige klimatiske prosesser som kortbølget og langbølget strålingsoverføring, turbulent varmeoverføring, kondensasjon, skydannelse og nedbør foregår på en lengdeskala av størrelsesorden noen få kilometer og ikke på en lengdeskala som i GCM-gridnettet (~ 100-200 km). Slike prosesser kan derfor ikke GCM-modellene simulere direkte, men må uttrykkes ved hjelp av variabler som modellene beregner i det grove gridnettet. Det betyr at man må finne en parameter (f.eks. en proporsjonalitetskonstant) som relaterer for eksempel  det gjennomsnittlige skydekket




 

innenfor en rute i gridnettet til en gjennomsnittsverdi for fuktighet eller temperatur, som modellen kan beregne. Denne strategien kalles parametrisering. Ved hjelp av parametrisering vil små-skala fenomener kunne bidra til både positiv (forsterkning) og negativ (svekking) feedback. Her vil små systematiske feil kunne hope seg opp over lange tidsrom og føre til store feil over en tidsperiode på fra 50 til 100 år, som vi kan si er tidsskalaen for klimaendringer på grunn av utslipp av drivhusgasser.

Figuren under viser skjematisk gangen i det som til slutt ender opp som prognoseresultatet for klimaet som en funksjon av tida.



De viktigste av dagens klima-modellerings grupper er:
 


Utviklingen i modelleringen av klimamodeller framgår på figuren under.

 



GCM-modellenes pålitelighet

En tilfredsstillende nøyaktig simulering av fortidens og dagens klima er en nødvendig betingelse for at modellene skal kunne brukes til å gi prognoser for framtidige endringer i klimaet. Men å verifisere en GCM-modell ved å sammenligne de simulerte verdier med observasjoner av klimaet byr på en del problemer. Det skyldes blant annet at klimaet vi sammenligner med ikke er godt nok kartlagt. Vi har for dårlig kjennskap til viktige klimaparametrer som fuktighet, skymengde og -fordeling, nedbør, fordampning, havis-tykkelse og de fysiske prosesser som skjer i overgangssonen mellom atmosfære, hav- og landområder. Det er også huller i vår viten vedrørende naturlige variasjoner i klimaet.

Det er i store trekk bra samsvar mellom beregninger med GCM-modeller og dagens klima basert på observasjoner på global skala (> 2000 km). Det gjelder storskala-fordeling av trykk, temperatur, vind og nedbør både sommer og vinter.
 


 

Figuren viser observasjoner (svart kurve) og 58 simuleringer med 14 GCM-modeller drevet av både naturlige og menneske-skapte faktorer (gule kurver) . Den rød kurven er gjennomsnittet av de 58 simuleringene. Temperatur-anomaliene er gitt i forhold til gjennomsnittsverdien i perioden 1901-1950. Trenden i observasjonene og modell-beregningene er i store trekk sammenfallende, med det er tydelig store avvik underveis.

Neste øverste figur viser observasjoner av gjennomsnitts-nedbør målt fra satellitter over 9 sesonger fra desember 1998 til februar 2007. Figuren nedenfor viser simuleringer (fra "UK Met Office Hadley Centre" globale klimamodell (Hadgem1)) av gjennomsnitts-nedbøren over en periode på 30 år fra 1970-1999 i månedene desember til mars.

 

 

Vi ser likheter, men også tydelige forskjeller. På regional skala (400-2000 km) er det signifikante feil i beregningsresultatene fra samtlige GCM-modeller både når det gjelder nedbør og temperatur sammenlignet med observerte gjennomsnitts-verdier.

Dagens GCM-modeller simulerer ellers svært bra de storskala endringer man har i havtemperaturen i det østlige tropiske Stillehavet i forbindelse med El Niño. Modellene er også i stand til å reprodusere hovedtrekkene i klimaendringene i løpet av de siste 18 000 årene (siden siste istids maksimum).

Neste tre figurer viser observasjoner og modellsimuleringer av de årlige globale middeltemperaturer når modellene tar hensyn til:

 


Figuren viser at når GCM-modellen kun inkluderer naturlige årsaker til klimavarisjoner, så gir det dårlig samsvar med observasjonene i perioden 1850-2000. Samsvaret, som rimelig er,  er best i (c).

 

 

Differansen mellom en perturbert modellsimulering (endring i en av komponentene i tabellen) og en kontrollsimulering (simulering av nåværende klima) gir et mål på klimasystemets følsomhet for en gitt forandring).
 

Framtidige klimaprognoser

Figuren under viser GCM-simuleringer tilbake i tid og fram mot år 2100 for 8 av dagens klimamodeller.

 

 

Anomalien refererer til standardperioden 1960-1990. Det er som forventet et sprik i prognosene ved år 2100 på opptil ca. 3 °C.

For modellen fra "Hadley Centre" er temperaturfordelingen globalt i perioden 2070 til 2100 vist på figuren under, som avviket fra gjennomsnittet i perioden 1960-1990.

 

Slår prognosen til så får etterslekten et deilig og varmt klima.

 

Havnivå-prognosene fram mot år 2100 indikerer at man i alle fall blir våt på beina og mere til dersom man fortsatt slår seg ned ved dagens havnivå.

 

 

Neste figur viser at vi står ved inngangen til en mulig super mellomistid, som vi må hundretusener av år tilbake for å finne maken. Men etter den er det Milankovitch-modellen, beskrevet i Globale klimaendringer, som råder grunnen og ingen GCM-modell.

 

 

Men selv den CO2 -induserte supre mellomistid kan ikke forhindre en ny istid. Istiden kan kun utsettes noe i tid. I løpet av de neste 5000 årene går vi en kaldere tid i møte. Drivhusgassene vil i beste fall forlenge den nåværene varme perioden med opptil flere hundre år, men så er det slutt. Om ca. 20 000 til 30 000 år vil menneskeheten være godt over halvveis mot en ny nedising av kloden, som sannsynligvis vil komme om ca. 50 000 til 60 000 år. Og hovedårsaken til nedisingen vil være forandringer i innstrålingen fra Sola på grunn av endringer i Jordas elliptiske bane rundt Sola, og endringer i jordaksens helning og jordaksens presesjonsbevegelse.

Ice Ages
Some say the world will end in fire,
Some say in ice.
From what I've tasted of desire
I hold with those who favor fire.
But if it had to perish twice,
I think I know enough of hate
To say that for destruction ice
Is also great
And would suffice

Robert Frost (1874-1963)
 

Se ellers: Globale klimaendringer, El Niño, Vær og klima, Ozon i atmosfaren

 

Porsgrunn 18. november 2017