Hjem Om sidene Klima Klimavitenskap Temperaturutviklingen Drivhuseffekten Stråling fra solen Karbonkretsløpet Utslipp av drivhusgasser Aerosoler Klimamodeller Virkninger Tiltak mot klimaforstyrrelser Lenker

Egil Størens nettsider

om klima og global oppvarming

Klimamodeller

Hva er en klimamodell

Atmosfæren, havet og landjorden forøvrig endrer seg hele tiden. Dette skjer som følge av vekselvirkninger mellom disse forskjellige komponentene, og gjennom ytre påvirkninger og sykluser slik som døgn- og årsykluser. Alle disse prosessene følger naturvitenskapelige lover. Derfor vil det i prinsippet være mulig å regne ut endringene som skjer hvis man har tilstrekkelig detaljert kunnskap om tilstanden på et bestemt tidspunkt. Dette er utgangspunktet og motivasjonen for utvikling og bruk av værvarslingsmodeller. Bruk av en værvarslingsmodell er rett og slett å gjennomføre et gigantisk regnestykke.

Værvarslingsmodeller har lenge vært brukt av værvarslingstjenester overalt i verden. Omkring 1950 kom de første anvendelige værprognosene laget ved hjelp av en værvarslingsmodell [L32].

Klimamodeller ble utviklet på grunnlag av eksisterende værvarslingsmodeller. Dermed kunne klimamodellene dra nytte av en lang periode med erfaringer og videreutvikling av værvarslingsmodeller. Det er imidlertid en viktig forskjell mellom værvarslingsmodeller og klimamodeller: Mens en værvarslingsmodell har til formål å beregne den konkrete værutviklingen noen dager fremover i tid, vil en klimamodell prøve å beregne hvordan været, og spesielt temperaturen, i gjennomsnitt vil utvikle seg mange år fremover i tid. Variasjoner fra dag til dag vil være uten interesse når resultatene fra en klimamodell analyseres. Derimot vil gjennomsnittstemperaturen over en lengre tidsperiode (for eksempel en måned eller lengre) være interessant.

I tillegg til de vanlige prosessene som styrer trykk, temperatur, vind, fuktighet og skydannelser, tar klimamodellene hensyn til utslipp av klimagasser. Klimagasser påvirker hvor mye varmestråling som treffer jordoverflaten gjennom drivhuseffekten. IPCC har definert ulike scenarier for hvor mye klimagasser som slippes ut fra nå og utover i dette århundre. Hver gang en klimamodell kjøres på en datamaskin, vil ett av disse scenariene gi input til modellen i form av størrelsen på utlippene fra dag til dag.

I klimamodeller (og værvarslingsmodeller) er jordoverflaten og atmosfæren modellert ved hjelp av et rutenett som dekker hele kloden. Over hver rute er det en søyle med tredimensjonale celler som går oppover i atmosfæren. Knyttet til hver celle finnes et sett med variable som beskriver den gjennomsnittlige fysiske tilstanden i cellen. En rute er typisk 50x50 km². Høyden på hver celle varierer med hvor langt oppe i atmosfæren cellen befinner seg. Den er lavest nederst og øker med høyden. Tilstanden i alle cellene beregnes på nytt for hvert tidsskritt som simuleres. Lengden på slike tidsskritt er typske 30 minutter. Følgende nettsted har en grei beskrivelse av hvordan en klimamodell er bygget opp: [L33].

Usikkerhet

Klimamodeller er i sin natur usikre. Det er veldig mange ulike prosesser som ideelt sett burde simuleres. Siden det altid er begrensninger med hensyn til regnekapasitet på de maskinene som kjører modellene, kan bare et utvalg av disse prosessene tas med i en modell. Hvilke prosesser som velges ut gjøres på grunnlag av mange tiårs forskning innenfor geofysikk, meteorologi etc. Og ettersom regnekraften øker vil nye prosesser inkluderes i modellene.

Noen prosesser er ikke fullt ut forstått av vitenskapen, men det foreligger ofte erfaringsdata om prosessene i stort omfang. Slike prosesser, og andre prosesser som krever for stor regnekraft, legges gjerne inn i modellene ved hjelp av parametre som stipuleres ut fra erfaringsdata. For eksempel har man ikke en god teori for hvor mye som reflekteres av direkte sollys som faller på snø, is og andre lyse flater (såkalt albedo). I stedet for å simulere dette direkte på grunnlag av fysiske lover, brukes erfaringsdata for å stipulere hvor stor prosentandel av sollysset som reflekteres tilbake til atmosfæren ([L33] se etter "How are climate models “parameterised” and tuned?").

Det er ofte usikkerhet knyttet til den nøyaktige verdien som bør velges for slike parametre. Derfor må en slik parameterverdi ofte fastsettes gjennom prøving og feiling. Det vil alltid være mulig å sette opp et intervall som parameterverdien må ligge innenfor. Hvis man kjører modellen over en tidsperiode før nåtid (et såkalt hindcast), vil det finnes observasjoner som kan sammenlignes med output fra modellen. Da vil det være mulig å justere parameterverdien (innenfor intervallet med realistiske verdier) slik at modellresultatene stemmer best mulig med observasjonene.

Slik tuning av modeller fremstilles av klimaskeptikere som tilpasning av modellene slik at de gir et ønsket resultat (nemlig at de viser global oppvarming). Dette er jo en ganske grov påstand om anerkjente forskere med lang fartstid, og grenser til anklager om svindel. Slik tuning er faktisk nødvendig for at modellen skal fungere over en lengre simuleringsperiode. Det finnes ingen alternativ måte å gjøre dette på. Forskningsmiljøet selv erkjenner imidlertid at slike tilpasninger burde være bedre dokumentert.

Usikkerhet i modellene skyldes mange faktorer: For liten tidsoppløsning, for grovt rutenett, for få høydenivåer, for få prosesser som er modellert og usikkerhet rundt parameterisering for å nevne noen. Usikkerheten rundt parameterisering utgjør ingen dominerende del av dette.

Resultater

Utvikling av klimamodeller gjøres av flere ulike forskningsmiljøer rundt omkring i verden. I 1980 opprettet noen internasjonale organisasjoner forskningsprogrammet World Climate Research Programme (WCRP) for å koordinere innsatsen fra de ulike forskningsmiljøene. WCRP opprettet i sin tur prosjektet Coupled Model Intercomparison Project (CMIP) som har som oppgave å sammenligne resultatene fra de ulike klimamodellene. CMIP har samlet inn modellresultater i flere ulike faser. Resultatene fra den siste fasen (CMIP5) ble samlet inn i perioden 2010-2014, og en ny fase (CMIP6) er planlagt der fristen for innlevering av resultater er satt til 2020. Dette samarbeidet omfatter omkring 30 klimamodeller fra ulike forskningsmiljøer [L36].

Modellene er utviklet i ulike forskningsmiljøer og viser derfor en del variasjon i resultatene. Men felles for alle modellene er at utslipp av drivhusgasser må tas med i beregningene for at modellene kan klare å simulere den globale temperaturutviklingen som er observert de siste 30 år. Følgende figur hentet fra [L37] (side 6) viser modellresultater fra CMIP3 der modellene er kjørt med og uten menneskeskapte utslipp av klimagasser:

Den røde kurven viser den observerte temperaturutviklingen i alle tre delfigurene. Det grå "båndet" representerer den simulerte temperaturutviklingen fra flere ulike modeller. I delfigur (a) er simuleringene gjort med bare naturlige påvirkninger (variasjoner i solaktivitet og aske/støv fra vulkanutbrudd). Delfigur (b) viser simuleringer med bare menneskeskapte påvirkninger (utslipp av drivhusgasser og svovel fra industrien). I delfigur (c) er begge typer påvirkninger inkludert (naturlige og menneskeskapte).

Det foreligger allerede en del resultater fra CMIP6. En artikkel i tidsskriftet Earth System Dynamics fra november 2020 [L140] oppsummerer resultatene fra 33 modeller som ble brukt i dette prosjektet. Modellene ble vektet basert dels på hvordan de klarte å simulere den historiske klimautviklingen, og dels på i hvilken grad modellene var beslektet. Artikkelen anslår at denne vektingen ga 17% sikrere resultater (skill) enn en alternatv analyse uten bruk av vekting. Denne vektingen resulterte i estimater for oppvarming som lå noe lavere enn den tilsvarende uvektede analysen.

Modellene analyserer klimautviklingen basert på to ulike utslippsscenarier, SSP1-2.6 og SSP5-8.5. Dette er scenarier med henholdsvis en optimistisk (SSP1-2.6) og en pessimistisk (SSP5-8.5) fremskrivning av klimagassutslipp. Disse scenariene er laget for CMIP6-prosjektet, og er en videreutvikling av scenarier brukt i CMIP5 og tidligere (RCP-scenarier). En oversikt over SSP-scenarier finnes i følgende artikkel: [L141].

Det optimistiske scenariet ga en oppvarming på mellom 0.7 og 1.4 °C i 2100 i forhold til gjennomsnittstemperaturen 1995-2014. Dette svarer til en oppvarming på mellom 1.5 og 2.2 °C i forhold til førindustriell tid. Det pessimistiske scenariet ga en oppvarming på mellom 3.9 og 5.4 °C i forhold til førindustriell tid. Begge disse anslagene er usikre (66% sannsynlighet for at temperaturøkningen vil ligge innenfor det oppgitte intervallet).

Utvikling av klimamodeller har nå pågått i mange 10-år. Det foreligger derfor resultater hvor temperaturutviklingen er simulert fremover i tid allerede fra 1970-1980. En artikkel i Geophysical Research Letters fra januar 2020 [L110] undersøker hvor godt disse klimamodellene har klart å forutsi den observerte temperaturutviklingen. Av i alt 17 undersøkte modeller klarte 9 av dem å forutsi en temperaturøkning som lå innenfor usikkerhetsintervallet for den observerte temperaturøkningen (rundt 0.11-0.25 °C per 10-år avhengig av hvilken periode som ble simulert). Modellene brukte ulike utslippsscenarier for klimagasser, og noen av disse scenariene har vist seg enten å angi for lave eller for høye utslipp. Artikkelen har brukt en metode for å kompensere for disse feilaktige utslippsscenariene, og fant da at 13 av de 17 modellene forutsa en temperaturutvikling innenfor usikkerhetsintervallet. Forskerne bak disse modellene kunne umulig ha tilpasset modellene til å gi en så god overenstemmelse med fremtidige observasjoner.

sist oppdatert: 2021-03-27