気候モデルは地球温暖化をどの程度予測していますか?

気候モデルは地球温暖化をどの程度予測していますか?

科学者たちは過去40年間、ますます複雑化する気候モデルを使用して将来の地球温暖化の予測をしてきました。

大気物理学と生物地球化学によって動かされるこれらのモデルは、地球の気候とそれが将来どのように変わる可能性があるかについての我々の理解において重要な役割を果たします。

カーボンブリーフは、1973以降の顕著な気候モデル予測を収集して、以下のアニメーションに示すように、過去と将来の両方の地球温度をどの程度予測できるかを確認しています。 (再生ボタンをクリックして開始してください。)

私たちが経験したよりも温暖化が少ないモデルや予測したモデルもありましたが、1970と2016の間の表面温度の上昇は実際の発生からそれほど離れていませんでした。

過去の気候モデルはどのように変化しましたか?

過去の気候モデル予測は、大気中の温室効果ガス濃度、火山噴火などの知識から恩恵を受けています。 放射強制 地球の気候に影響を与え、将来へのキャスティングは、明らかにもっと不確実です。 気候モデルは、過去の気温を予測する能力と将来の気温を予測する能力の両方で評価できます。

ハインドキャスト - 過去の気温に対するモデルのテスト - は放射強制力を制御できるので便利です。 モデルはできないため、予測は役に立ちます。 暗黙のうちに調整 観測と似ているため。 気候モデルは 歴史的な気温に合わないしかし、モデラーには観測についてある程度の知識があります。 彼らの選択を知らせる of モデルのパラメータ化雲物理学やエアロゾル効果など。

以下の例では、1973と2013の間で公開された気候モデルの予測値が、 5つの異なる組織。 予測で使用されているモデルは、単純なものから複雑なものまでさまざまです。 エネルギー収支モデル 完全結合へ 地球システムモデル.

(注:これらのモデル/観測値の比較では、分析の初期の期間に観測値とモデルを一致させるために1970と1990のベースライン期間を使用します。

ソーヤー、1973

将来の温暖化の最初の予測の1つはから来ました ジョンソーヤー 1973の英国のメットオフィスで。 で Natureに掲載された論文 1973で、彼は世界が0.6と1969の間で2000Cを暖めるであろう、そして大気CO2が25%増加するであろうと仮定した。 ソーヤー氏は 気候感度 - 大気中のCO2レベルが2倍になるごとにどのくらいの長期温暖化が発生するか - 2.4C、 最善の見積り 今日、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)で使用されている3Cの説明。

この記事で検討した他の予測とは異なり、Sawyer氏は各年の推定温暖化を提供しておらず、予想される2000値のみを提供していました。 0.6Cの彼の温暖化推定値はほぼスポットオンでした - その期間に観測された温暖化は0.51Cと0.56Cの間でした。 しかし、2000の大気中のCO2濃度は、実際の値と比較して375-400ppmになると仮定して、過大評価しました。 370ppmの値.

ブローカー、1975

地球温暖化による将来の気温の最初の利用可能な予測は の記事 科学 コロンビア大学の科学者によって発表された1975に ウォリー・ブロッカー教授。 Broeckerがaを使用しました 単純エネルギー収支モデル 大気のCO2が1975の後に急速に増加し続けたならば、地球の温度がどうなるかを推定すること。 Broeckerの予測された温暖化は数十年間の観測にかなり近いが、最近かなりかなり高くなっている。

これは主に、Broeckerが彼の記事が発表された後にCO2排出量と大気中濃度がどのように増加するかを過大評価しているためです。 実際のMauna Loaの2000ppm観測と比較して、彼は373まではかなり正確で、CO2の370ppmを予測しました。 しかし、2016では、CO2は424ppmになると推定しました。 404 pmのみ観測されています.

ブローカーはまた彼のモデルで他の温室効果ガスを考慮に入れなかった。 しかし、温暖化の影響として メタン, 亜酸化窒素ハロカーボン されています ほとんどキャンセルされた によって エアロゾルの全体的な冷却の影響 1970以降、これはそれほど大きな違いを生むことはありません(エアロゾル強制力の推定値にもかかわらず)。 不確実性が大きい).

Sawyerと同様に、BroeckerはCO2.4の倍増につき2Cの平衡気候感度を使用しました。 Broeckerは地球が大気中のCO2に一致するように即座に暖まると仮定しました、一方現代のモデルは大気と海洋がどれくらい速く暖まるかの間の遅れを説明します。 (海洋によるゆっくりとした熱吸収はしばしば「熱慣性気候システムの

下のグラフで、観測された温度上昇(色付きの線)と比較した彼の予測(黒い線)を見ることができます。

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からの観測温度記録と比較したBroecker 1975(太い黒い線)からの予想される温暖化 米航空宇宙局(NASA), NOAA, HadCRUT, カウタンとウェイおよび バークレー地球 (細い色付きの線)1970から2020まで。 1970-1990の基準期間。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

ブローカーは科学者達が観察が広く次のように考えていた時に彼の予測をした 適度な冷却を示した 地球の。 彼は、「現在の冷却傾向は、10年かそこら以内に、二酸化炭素によって引き起こされる顕著な温暖化に道を譲るだろうという強い主張をすることができる」と述べて、彼の記事を始めました。

Hansenら、1981

NASAの ジェームズハンセン博士 同僚 論文を発表 1981では、将来の温暖化を予測するために単純なエネルギー収支モデルも使用していましたが、海洋の熱吸収による熱慣性の原因となっていました。 彼らは、気候倍増幅がCO2.8あたり2Cであると仮定したが、倍増あたり1.4-5.6Cの範囲も調べた。

Hansenらの1981による予想される温暖化(速い成長 - 太い黒線 - そして遅い成長 - 細い灰色線)。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

Hansenらは、将来の排出量と気候感度に応じて、さまざまなシナリオをいくつか提示した。 上のグラフでは、CO2の排出量が4の後で毎年1981%増加する「急成長」シナリオ(細い灰色の線)の両方を見ることができます。 ) 急成長のシナリオでは現在の排出量をいくぶん過大評価していますが、わずかに低い気候感度と組み合わせると、初期の2の観測値に近い温暖化の推定値が得られます。

急成長のシナリオで1970においてHansenらによって予測された2016と1981の間の全体的な温暖化率は、観測よりも約20%低かった。

Hansenら、1988

最も広範囲のサンプルの測定 論文が発表された Hansenらによる1988の同僚は、最初の近代的な気候モデルの1つを代表した。 それは世界を9つの垂直大気層で、緯度8度、経度10の離散的なグリッドセルに世界を分けました。 エアロゾル、CO2に加えてさまざまな温室効果ガス、そして基本的な雲のダイナミクスが含まれていました。

Hansenらは、将来の温室効果ガス排出量の違いに関連して3つの異なるシナリオを提示した。 シナリオBは下のグラフで太い黒線で、シナリオAとCは細い灰色の線で示されています。 シナリオAでは、CO2および他のGHG濃度が今日よりもかなり高くなり、排出量が急激に増加しました。

Hansen et al 1988による温暖化予測(シナリオB - 太い黒線、シナリオAとC - 細い実線と灰色の破線)。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

シナリオBでは、CO2排出量は緩やかに減速すると想定していましたが、 401の2016ppm それはかなり近い 観測された404ppm。 しかし、シナリオBでは、強力な温室効果ガスであるさまざまなハロカーボンの継続的な排出量の増加を想定していましたが、その後、 モントリオール議定書 1987 シナリオCでは、2000年後に排出量はほぼゼロになりました。

3つのうち、シナリオBは実際の放射強制に最も近いものですが、それでも 10%が高すぎる。 Hansenらはまた、2倍になるCO4.2あたり2Cの気候感度を持つモデルを使用しました - ほとんどの現代の気候モデルのハイエンドで。 これらの要因の組み合わせにより、シナリオBでは、1970と2016の間の温暖化率は、観察されたものより約30%高いと予測されました。

IPCC第1次評価報告書、1990

IPCCの 初回評価レポート 1990の(FAR)は、地球規模の気温の変化を推定するための比較的単純なエネルギー収支/湧昇拡散海洋モデルを特徴としていました。 彼らの特色のあるビジネスとしての(BAU)シナリオは、観測における2ppmと比較して、418ppmに達する大気CO2の急成長を想定して、2016ppm CO404です。 FARはまた、実際に発生したよりもはるかに速く大気中のハロカーボン濃度の継続的な成長を仮定した。

FARは、2.5-2Cの範囲で、倍加されたCO1.5のための4.5C温暖化として気候感度の最良の推定値を与えました。 これらの推定値は下の図のBAUシナリオに適用され、太い黒線は最良の推定値を表し、細い破線は気候感度範囲の上限と下限を表します。

IPCC第1次評価報告書から予想される温暖化(平均の投影 - 太い黒線、細い点線の黒線で示された上限と下限の境界線)。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

今日使用されている3Cよりも少し低い気候感度の最良の見積もりにもかかわらず、FARは1970と2016の間の温暖化率を彼らのBAUシナリオで約17%過大評価し、その期間にわたる1C温暖化対観察された0.85Cを示した。 これは主に、実際に起きたよりもはるかに高い大気中のCO2濃度の予測によるものです。

IPCC第2次評価報告書、1995

IPCCの 第二次評価レポート (SAR)は1990以降からすぐに利用可能な予測のみを発表した。 彼らは、2.5-1.5Cの範囲で、4.5Cの気候感度を使用しました。 彼らの中域排出量シナリオ「IS92a」は、2における405ppmのCO2016レベルを予測された濃度とほぼ同じに予測した。 SARには、人為起源のエアロゾルのはるかに優れた処理も含まれています。これは、気候を冷やす効果があります。
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IPCC第2次評価報告書から予想される温暖化(平均的な投影 - 太い黒線、細い点線の黒線で示された上限および下限)。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

上のグラフからわかるように、SARの予測は観測値よりも著しく低く、28から1990までの期間にわたって2016%についてゆっくりと警告していました。 これは、2つの要因が組み合わさったためと考えられます。現代の推定値(2.5Cと3C)で見られるよりも低い気候感度、そして CO2の放射強制 (4.37は平方メートル当たりのワット数であり、3.7はその後のIPCCレポートで使用され、現在も使用されています)。

IPCC第3次評価報告書、2001

IPCC 第3次評価レポート (TAR)は、7つの異なるモデリンググループからの大気 - 海洋大循環モデル(GCM)に頼っていた。 彼らはまた、次のような新しい社会経済的排出シナリオを導入した。 SRESこれには、将来の4つの異なる排出量の軌跡が含まれています。

ここでは、Carbon Briefが A2シナリオただし、いずれも2020まではほぼ同様の排出量と温暖化の軌跡を持っています。 A2シナリオは、観測されたものとほぼ同じ2016大気中のCO2濃度406 ppmを予測しました。 SRESシナリオは2000以降のものであり、2000より前のモデルでは推定履歴強制力を使用していました。 上の図の灰色の破線は、観測された排出量と濃度の使用から将来の予測排出量へのモデル移行のポイントを示しています。

IPCC第3次評価報告書から予想される温暖化(平均的な投影 - 太い黒線、細い点線の黒線で示された上限および下限)。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

TARではマルチモデルの平均値が公表されておらず、個々のモデルランのデータがすぐに入手できないため、TARの見出し予測では7つのより高度なGCMの平均出力に一致するように設定された単純な気候モデルを使用しました。 それは2.8-2Cの範囲で、2倍になるCO1.5あたり4.5Cの気候感度を持っています。 上のグラフに示されているように、TAR内の1970と2016の間の温暖化率は、実際に観察されたものよりも約14%低かった。

IPCC第4次評価報告書、2007

IPCCの 第4次評価レポート (AR4)は、大幅に改良された大気力学とモデル分解能を持つモデルを特色としていました。 炭素循環の生物地球化学を組み込んだ地球システムモデルと、陸面と氷のプロセスの改良されたシミュレーションを活用しました。

AR4はTARと同じSRESシナリオを使用し、過去の排出量と大気中の濃度は2000年までで、その後の予測もあります。 AR4で使用されているモデルの平均気候感度は3.26Cで、範囲は2.1Cから4.4Cです。

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IPCC第4次評価報告書から予想される温暖化(平均投影 - 太い黒線、細い点線の黒線で示される2シグマの上限および下限)。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

上の図は、A1Bシナリオのモデルランを示しています(2016 CO2濃度はA2シナリオのものとほぼ同じですが、モデルランがすぐに利用可能な唯一のシナリオです)。 4と1970の間のAR2016射影は、観測値に非常に近いところまで温まり、8%だけ高くなっています。

IPCC第5次評価報告書、2013

最新のIPCCレポート - 第5回評価 (AR5) - AR4と比較して、気候モデルのさらなる改良、および将来のモデルの不確実性のわずかな減少を特徴としました。 最新のIPCC報告書の気候モデルは、 結合モデル相互比較プロジェクト5 (CMIP5)、世界中の何十もの異なるモデリンググループが同じ入力とシナリオのセットを使用して気候モデルを実行しました。

IPCC第5次評価報告書から予想される温暖化(平均投影 - 太い黒線、細い点線の黒線で示される2シグマの上限および下限)。 黒い破線は混合モデルフィールドを示します。 Carbon Briefによるチャート Highcharts.

AR5は、将来の温室効果ガス濃度シナリオの新しいセットを紹介しました。 代表的な濃度経路 (RCP) これらは2006以降の将来の予測で、2006より前の過去のデータです。 上の図の灰色の破線は、モデルが観測された強制の使用から予測された将来の強制に移行する場所を示しています。

これらのモデルと観測値を比較すると、 ややトリッキーな運動。 気候モデルから最もよく使用されるフィールドは、全球地上気温です。 しかし、観測された気温は陸上の地表気温と海上の海面気温からきています。

これを説明するために、最近では、観測で実際に測定されたものと一致するように、海洋上の海面温度と陸上の地表気温を含む混合モデルフィールドが作成されました。 近年のモデルでは、海上の気温が海面の気温よりも早く温まるため、上の図の破線で示されているこれらの混合場の気温は、全球の地上気温よりもわずかに低くなっています。

CMIP5モデルの全球表面温度は、16以降の観測よりも約1970%早く温まっています。 この差の約40%は、モデル上の海面温度よりも速く温暖化している海の上の気温によるものです。 混合モデルフィールドは、観測よりも速い9%の昇温のみを示します。

A Natureの最近の論文 by アイセリンメダウ そして同僚らは、発散の残りは短期間の自然変動性(主に太平洋)、小火山および予想よりも低い日射量の組み合わせによって説明することができると示唆している。 2005プロジェクション

以下はCarbon Briefが調べたすべてのモデルの要約です。 以下の表は、各モデルまたはモデルセット間の温暖化率の違いを示しています。 NASAの 温度観測 すべての観測温度記録はかなり似ていますが、NASAは近年、より完全な世界規模の報道を含むグループの1つであり、したがって気候モデルデータとより直接的に比較可能です。

気候モデルは地球温暖化をどの程度予測していますか?

* 1990より前の見積もりはすぐには得られないため、SARトレンドの差は2016から1990までの期間にわたって計算されます。
#混合モデルの陸地/海域に基づく括弧の違い

結論

1973以降に発表された気候モデルは、一般的に将来の温暖化を予測するのに非常に熟練しています。 低すぎたり高すぎたりするものもありましたが、特に予測されたCO2濃度と実際のCOXNUMX濃度との間の食い違いや他の気候強制力を考慮に入れると、実際に起こったことに合理的に近い結果を示します。

モデルは完璧には程遠いものであり、今後も改善されていきます。 彼らはまた、かなり広い範囲の将来の温暖化を示しています。 簡単に絞り込むことはできません 私たちが観察した気候の変化だけを使って。

それにもかかわらず、1970以降の予測された温暖化と観測された温暖化の間の密接な一致は、将来の温暖化の推定値が同様に正確であることを証明するかもしれないことを示唆している。

方法論ノート

環境科学者 ダナ・ヌッチテリ 利用可能な過去のモデル/観測比較のリストを便利に提供 こちら。 ザ PlotDigitizerソフトウェア 他の方法でデータが入手できない場合は、古い数値から値を取得するために使用されました。 CMIP3およびCMIP5モデルデータは、 KNMI気候探査機.

この記事はもともとに登場しました カーボンブリーフ

著者について

Zeke Hausfatherは、米国の焦点を当てた気候科学とエネルギー研究を扱っています。 Zekeは、アイルランド大学とアムステルダムのVrije大学で環境科学の修士号を取得し、カリフォルニア大学バークレー校で気候科学の博士号を取得しています。 彼は過去の10年をクリーンテック部門のデータ科学者および起業家として働いていました。

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