Samma gamla visa - fjärde versen

Modeller är viktiga verktyg inom praktiskt taget alla vetenskaper, och i synnerhet inom naturvetenskaperna. En modell är en förenklad representation av ett system eller en process (solsystemet, en kemisk reaktion, ett lands ekonomi). Modellen kan användas till att förklara vad som händer i systemet eller förutse vad som kommer att hända under vissa villkor. En modell över solsystemet, baserad på klassisk mekanik och lite relativitetsteori, kan t ex förklara och förutse planeternas rörelser runt solen. Utan modeller (och teorier) så skulle vetenskapen reduceras till ren insamling av data som inte leder till någon djupare förståelse.

• Fördjupning om klimatmodeller.

Många "klimatskeptiker" verkar  uppfatta modeller som någonting fult, som inte har med verkligheten att göra. De verkar tro att modeller är något som forskarna bara hittar på. En del hävdar att klimatvetenskapen bara handlar om modeller och inte har något med observationer att göra. Men modeller (och teorier) bygger på mätningar och andra observationer, och inte minst viktigt: modeller sätter in dessa observationer i ett teoretiskt sammanhang. Dessutom, att göra och analysera mätningar är en viktig del av klimatvetenskapen.

Modeller är aldrig perfekta, och deras resultat innefattar alltid en viss osäkerhet. Ibland är osäkerheten liten, som för planeternas rörelser, men ibland är den omfattande. I IPCCs tredje rapport (PDF-dokument här) står t ex detta om hur arbetet med klimatmodeller behöver utvecklas (min översättning).

Fullständigare utforskning av den sannolikhetsmässiga karaktären hos framtida klimattillstånd genom att utveckla ett flertal ensembler av modellberäkningar. Klimatsystemet är ett kopplat icke-linjärt kaotiskt system, och därför är det inte möjligt att förutse framtida exakta klimattillstånd. Fokus bör snarare varar på att förutse sannolikhetsfördelningen över systemets framtida möjliga tillstånd genom att generera ensembler av modellösningar.*

Det här betyder att modellerna till exempel inte kan förutse att den globala temperaturen kommer att stiga med exakt 2,3℃ (exakt klimattillstånd) till år 2100 givet en viss mängd utsläpp. Istället kan de förutse att stigningen sannolikt kommer att vara mellan 1,4℃ och 3,1℃ (sannolikhetsfördelning över framtida möjliga tillstånd) till slutet av århundradet**. Detta görs genom att köra många olika modeller (ensembler) och titta på deras spridning.

Det är inte så annorlunda mot hur ett försäkringsbolag beräknar premier: de kan inte förutse exakt vilka av deras kunder som kommer att drabbas av olyckor, eller ens exakt hur många av deras kunder. Men de kan uppskatta ett intervall eller en fördelning, baserat på tidigare statistik. Utifrån det kan de sätta sina premier så att de kan vara säkra på att gå med vinst eller i värsta fall jämnt ut.

"Klimatskeptiker" tycker om att citera det ovanstående stycket från IPCC, men inte hela. Den del de väljer ut är, föga överraskande:

Klimatsystemet är ett kopplat icke-linjärt kaotiskt system, och därför är det inte möjligt att förutse framtida exakta klimattillstånd.  

Och så hävdar de felaktigt att detta betyder att det inte går att förutse klimatet. Men allt det betyder är att vi inte kan förutse klimatet exakt. Vi måste i stället tala om möjliga utfall och deras sannolikheter.

En annan vanlig invändning från "klimatskeptiker" är att modellerna misslyckats med att förutse hur klimatet utvecklas. Man hör rent av ofta påståenden i stil med att "ingen förutsägelse har någonsin slagit in." Dessa påståenden åtföljs i bästa fall av något (ofta vantolkat) exempel på en misslyckad förutsägelse.

Men modellerna klarar sig faktiskt ganska bra. Så här ser det ut för CMIP5-modellerna, den senaste generationen av modeller. De olika RCP:erna betyder olika antaganden om framtida växthusgasutsläpp baserat på olika sätt som världens ekonomi kan utvecklas i framtiden. Observationerna är från mätningar vid mark/havsyte-nivå. Källa: Ed Hawkins, ClimateLabBook.

Observationerna ligger inom modellernas spridning, om än i den lägre delen. Som Ed Hawkins påpekar så kan detta delvis förklaras med hur jämförelsen görs.

Mera läsning:

Modellerade och uppmätta temperaturserier stämmer väl överens – om de globala medeltemperaturerna beräknas på samma sätt.

Några saker som har hänt sedan sist (modeller, satellitmätningar)

Remote Sensing Systems (RSS), som arbetar med satellitmätningar av temperaturen i troposfären, gör också jämförelser mellan modeller och observationer.

Här ligger observationerna (svart linje) under det senaste decenniet runt nedre kanten av modellspridningen (gult fält). Det verkar framför allt vara i tropikerna som avvikelsen finns. Carl Mears på RSS diskuterar fyra möjliga orsaker: fel i modellernas fysik, fel i uppskattningar av forcings (växthusgaser, mänskliga och vulkaniska aerosoler, solaktivitet, ozon), mätfel i observationerna, och oväntad intern variabilitet. 

RSS jämför också modeller och observationer för stratosfären. Där ser det ut såhär.

Här kan vi observera en avkylning, vilket också modellerna förutser. Denna avkylning beror både på en minskning av ozon och en ökning av växthusgaser. De två topparna beror på aerosoler från vulkanutbrott, som fångar upp solstrålning i stratosfären. 

Tills sist tar vi det långa tidsperspektivet. Här en jämförelse mellan modeller och observationer som täcker tre miljoner år. De modeller som har använts är enklare än de i t ex CMIP5 pga beräkningsbördan för att simulera 3 miljoner år, men de visar likväl på en god överensstämmelse. 

Så modellerna gör ett ganska bra jobb, även om det finns utrymme för förbättringar. Dessutom har vi bara tittat på globala värden och fokuserat på temperaturen här. Det är viktigt att även modellera regionala klimat för att vi ska kunna förbereda oss inför klimatförändringarna, men samtidigt är det svårare att få rätt. Nederbörd och avdunstning, snö och is, vindar, havsströmmar och växtlighet är också viktiga faktorer i modellerna. Det pågår ett ständigt arbete med att testa och förfina klimatmodellerna. 

*Engelska orginaltexten:

Explore more fully the probabilistic character of future climate states by developing multiple ensembles of model calculations. The climate system is a coupled non-linear chaotic system, and
therefore the long-term prediction of future exact climate states is not possible. Rather the focus must be upon the prediction of the probability distribution of the system’s future possible states by the generation of ensembles of model solutions.

**Enligt scenario RCP6.0 från IPCCs femte rapport. 

Läs om klimatmodeller

Nyfiken på ur klimatmodeller fungerar? Nu finns en hel bok tillgänglig som "open access". Demystifying Climate Models är en guide till klimatmodeller och eras användning riktad till ickeexperten.



Ladda ner e-boken här.

Europeiska sommartemperaturer sedan romartiden

Nyligen skrev vi om den första av två rykande färska artiklar om historiska klimat som historikern Fredrik Charpentier Ljungqvist har bidragit till. Här fortsätter vi med den andra artikeln, som handlar om rekonstruktioner av europeiska sommartemperaturer under de senaste 2000 åren. Rekonstruktionerna bygger på årsringar från träd, och man har använt data både för bredden på ringarna och för höstvedens densitet. Man har också använt sig av historiska dokument. Det här är vad man kom fram till:

Delfigur (a) visar varifrån trädringsdata (trianglar) och historiska dokument (grå fyrkant) kommer. Delfigur (b) visar rekonstruktionerna av sommartemperaturer för de senaste 150 åren, och jämför dessa med termometermätningar. Överensstämmelsen mellan rekonstruktionerna och termometermätningarna är väldigt god. Delfigur (c) visar samma sak för perioden 138 f.Kr.–2003 e.Kr. De två metoderna som man har använt för att uppskatta temperaturerna ifrån trädsringsdata kallas för Bayesiansk Hierarkisk Modellering (BHM) och Komposit-Plus-Skalning (CPS) - ursäkta för de något klumpiga översättningarna från engelskan - och visas med blå respektive röda kurvor.

Precis som i rekonstruktionerna i den förra artikeln kan vi se en varm period de första århundradena e.Kr som har kallats den romerska värmeperioden, men sedan en köldknäpp under 500-talet som inleder den sen-antika lilla istiden. Det är generellt varmare runt 900 och 1200 (den medeltida klimatanomalin), men under en period runt 1100 förfaller det fakiskt ha varit riktigt kallt (fanns det en medeltida liten istid också?). Från 1300 fram till kanske 1850 var det också förhållandevis kallt. De senaste decennierna har varit mycket varma. Det övergripande mönstret är en långsam och oregelbunden avkylning som har övergått till en snabb uppvärmning det senaste seklet eller så. Det är samma mönster som vi ser globalt (och för hela året) enligt rekonstruktioner från PAGES 2K-projektet, som förresten Ljungqvist också har deltagit i.

Däremot ser det inte så mycket ut som i den schematiska figur som  återfanns i första IPCC-rapporten, och som bygger på Hubert Lambs rekonstruktioner från 60- och 80-talen av centrala Englands temperaturer de senaste 1100 åren.

Lamb var en pionjär, men paleoklimatforskningen har gjort betydande framsteg sedan hans dagar. Lambs graf är dock inte bara av vetenskapshistoriskt intresse: den återges ofta på klimatförvillarbloggar som om den vore bästa tillgängliga kunskap även idag, och inte bara för England eller Europa, utan för det globala klimatet. Jag såg den faktiskt senast just idag (14/2) i ett inlägg på en svensk klimatförvillarblogg (som jag inte tänker länka till) där man ägnar sig åt  ett närmast rituellt förtal av paleoklimatforskaren Michael Mann.

Men åter till artikeln! Man har inte bara rekonstruerat historiska temperaturer (för sommaren), utan man har även testat hur väl klimatmodeller kan återge dessa från 800-talet och framåt.

De blå och röda kurvorna visar de rekonstruerade sommartemperaturerna, medans motsvarande för modelkörningarna visas i grönt och lila.  Många olika modeller har använts, så det intressanta är att jämföra med de gröna och lila fälten, som visar körningarnas spridningar (de ger inte alla samma resultat). Modellerna använder olika skattningar för klimatdrivande faktorer ("forcings"), och den största skillnaden finns för solinstrålning. Det är därför det finns två grupper: en med mindre variationer i solinstrålning (grönt) och en med mer (lila).

Rekonstruerade och modellgenererade temperaturer följs åt ganska väl: de förra ligger för det mesta innanför de senare. I synnerhet den blå kurvan (från den Bayesianska metoden) sticker dock utanför ibland, vilket syns tydligast runt 900 och 1200. Artikeln nämner att det kan bero på att den Europeiska regionens klimat  är extra känsligt för variationer i solinstrålningen. Enligt en artikel från 2015 av Ineson et al kan detta i sin tur bero på att solinstrålningen påverkar de nordatlantiska och arktiska oscillationerna. Detta är ett förhållande som klimatmodellerna i så fall inte lyckas återge tillräckligt väl. Men skillnaden kan också bero på att modellerna underskattar intern variabilitet (t ex påverkan av havsströmmar) eller helt enkelt på brister i rekonstruktionerna.

Det är så vetenskapen ofta fungerar. Vi har många olika källor till förståelse för hur klimatet fungerar: kunskaper om olika fysikaliska processer; avancerade klimatmodeller som låter oss tillämpa och testa dessa fysikaliska kunskaper på specifika situationer; direkta observationer av t ex temperatur, nederbörd, atmosfärens sammansättning, solinstrålning och vulkaner för de senaste decennierna/seklerna; samt indirekta rekonstruktioner av dessa parametrar längre bak i tiden (både för historiska och geologiska tidsperspektiv). Och dessa olika källor till förståelse hänger ihop och korsbefruktar varandra. Den här artikeln är ett utmärkt exempel på detta.

Referenser
J Luterbacher et al. European summer temperatures since Roman times. Environmental Research Letters, 2016.

Steve Easterbrook: Computing the Climate

TED: Gavin Schmidt - The emergent patterns of climate change

TED Ideas har mer om talet inklusive många av de ingående animationerna som egna video-snuttar.

Notiser och länkar II

Några aktuella notiser och länkar kring klimatvetenskap och klimatdebatt

• Bart Verheggen uppmärksammar Christy, McNider och Spencers tveksamma argumentation i: John Christy, Richard McNider and Roy Spencer trying to overturn mainstream science by rewriting history and re-baselining graphs.

• Relaterat till ovanstående. Gavin Schmidt illustrerar [1,2] att "hot spot" i tropiska troposfären inte är unikt förväntat av uppvärmning på grund av koldioxidökning. Vänstra bilden modellresultat vid fördubbling av koldioxidnivån, högra vid en ökning av solinstrålningen med 2%:

• Steve Easterbrook beskriver skillnaden mellan väderprognoser, ett initialvärdesproblem, och klimatmodellering, ett randvärdesproblem, i Weather balloons vs. climate balloons

• Ed Hawkins illustrerar osäkerhetsfaktorer i CMIP5 projektionerna. RCP är beroende på vår framtida politiska och tekniska utveckling. Modellerna är de olika klimatmodeller som ingår i CMIP5 och realisationer är spridningen av resultat av samma modell:

Uppdatering:

• Staddon et al har funnit att överdödligheten under vintern inte efter 1970-talet längre förutsägs av antalet kalldagar i England eller Wales. Det indikerar att det är tveksamt att förvänta sig en minskad vinterdödlighet på grund av mildare vintrar i välutvecklade tempererade länder.

El Nino, La Nina och "uppvärmningspausen"

Alla som har följt klimatdebatten har hört argument från klimatskeptiker om "uppvärmningspausen", "hiatusen" osv. Här på UI inrättade vi förra hösten en speciell tråd för de ständiga kommentarer om detta ämne. Där pekade vi bl a på hur ENSO (El Nino/La Nina i Stilla havet), solcykeln och andra faktorer orsakar temperaturvariationer som kan ge utslag på trenden för en eller två decennier. När det gäller "skeptikerna" så är det sällan de har något mer att säga än att "det finns en paus", och möjligen att "modellerna förutsade inte pausen". Så här skrev t ex Bjørn Lomborg i SvD tidigare i veckan.

Det verkliga problemet med klimatberättelsen är att planeten under de senaste 15–20 åren inte spelat med i spelet. Allt medan vi fortsatt att pumpa ut CO₂ och modellerna fortsatt förutspå allt högre temperaturer har termometrarna inte rört sig ur fläcken.*

Vi har skrivit om hur klimatmodellerna faktisk ger liknande pauser, men eftersom de inte kan förutsäga hur t ex El Nino/La Nina kommer att utvecklas så kan de inte förutsäga när dessa pauser uppstår. El Nino/La Nina-skeendet skiljer sig från en modellkörning till en annan på ett närmast slumpmässigt sätt.

Man kan fundera på vad som skulle hända om man körde en klimatmodell med historiska ENSO-data, i stället för att låta modellen själv generera ENSO-mönster. Nu har två forskare, Yu Kosaka och Shang-Ping Xie, gjort just det (se också kommentar av Isaac Held). Man lät havsyttemperaturen (anomalin) i östra Stilla Havet kring ekvatorn följa de observerade temperaturerna (anomalierna) och då fick man följande resultat.

Figur från Nature, 2013.

Den observerade globala temperaturen (anomalin relativt perioden 1980-1999) är markerad i svart (Observation), och den simulerade temperaturen med historiska forcings (växthusgaser, solen mm) utan observerad ENSO är i violett (HIST), med större vulkanutbrott markerade. Den simulerade temperaturen med observerad ENSO är i rött (POGA-H). Lägg märket till hur väl den senare kurvan följer den observerade temperaturen. Det gör den till och med de senaste 15-17 åren, dvs perioden för "uppvärmningspausen".

För simuleringarna med historiska forcings ser vi en blygsam avsaktning under 2000-talet. Det beror bl a på den låga solaktiviteten: vi har haft ett ovanligt långt och lågt solminimum. Men detta räcker i sig inte till för att orsaka en "paus", utan bara att minska temperaturökningen något. ENSO är tydligen den viktigaste faktorn bakom "pausen".

Detta verkar också hänga ihop med forskning av Meehl, Hu, Arblaster, Fasullo och Trenberth,  som även de har undersökt Stilla havets roll i det globala klimatet. De har undersökt Interdecadal Pacific Oscillation (IPO), en längre (kvasi)cykel som bl a påverkar läget och styrkan hos ENSO. Under negativa IPO-faser så kyls vattenskikt nära ytan medan djupare vattenskikt värms, och tvärtom för positiva faser.

Om vi lägger ihop de här två artiklarna, så kan vi dra slutsatsen att "uppvärmningspausen" hänger ihop med vad som händer i Stilla Havet, och hur värme förflyttas mellan atmosfär, vattenskikt nära ytan och djupare vattenskikt. Detta utesluter visserligen inte att även andra faktorer som solaktivitet och aerosoler spelar in under de senaste 15 åren, men Stilla Havet verkar ha en viktig roll.

*Lomborg argumenterar  visserligen inte för att detta motbevisar att  CO2 påverkar temperaturen, men han hävdar att "betyder sannolikt att temperaturhöjningarna blir mindre, inte större."  

Arktis is, modeller och observationer

Förnekosfären upphör aldrig att förvåna i sin förmåga att fullständigt bortse från fakta. Nu sprids uppenbarligen ryktet om att arktiska havsisen minskar långsammare än modellerna beskriver. Låt oss se vad IPCC och andra som sammanställt modelldata och observationer faktiskt säger.

I Köpenhamnsdiagnosen finns en sammanställning av utvecklingen fram till 2009 och modellerna som användes till IPCC AR4:

 Som synes var den verkliga minskingen betydligt snabbare än den tidens modeller.

Förra året publicerade Stroeve et al. en jämförelse mellan observationer och modeller som inkluderade de modeller (CMIP5) som används inför IPCC AR5:

 De nya modellerna följer som synes observerade minskningen bättre.

Vad säger då modellerna om när Arktiska haven är isfria i slutet av sommaren?

Wang och Overland på NOAA sammanställde 2009 en uppskattning om tiden fram tills att den arktiska isen krymper till under 1 miljon km² på sommaren. Sex modeller använda till IPCC AR4 utgick från 2007-2008 års isutbredning:

De gjorde 2012 en uppföljande sammanställning utifrån de modeller som används inför IPCC AR5 (alltså CMIP5):

Båda sammanställningarna visar den stora spridningen mellan modellerna men också en median på 30 år, alltså kring år 2040.

För att sammanfatta:

• Modellerna tyder på att arktiska havsisen når minimum under 1 milj. km² om några decennier.
• Minskningen i verkligheten har varit snabbare än i de äldre modellerna medan dagens modeller ligger närmare observationerna.

De missförstådda klimatmodellerna

Model simulation showing average ocean current velocities and sea surface temperatures near Japan.

Klimatmodeller är något som många har åsikter om. Tyvärr är det inta alltid så välinformerade åsikter. För den som vill bli mer välinformerad har Ars Technica en bra populärvetenskaplig artikel om klimatmodeller, Why trust climate models? It’s a matter of simple science. Där intervjuar man ett antal forskare som arbetar med klimatmodellering, bl a Andrew Weaver, Steve Easterbrook, Gavin Schmidt, och  Richard Alley. Så här säger Weaver t ex:

 “What is so remarkable about these climate models is that it really shows how much we know about the physics and chemistry of the atmosphere, because they’re ultimately driven by one thing—that is, the Sun. So you start with these equations, and you start these equations with a world that has no moisture in the atmosphere that just has seeds on land but has no trees anywhere, that has an ocean that has a constant temperature and a constant amount of salt in it, and it has no sea ice, and all you do is turn it on. [Flick on] the Sun, and you see this model predict a system that looks so much like the real world. It predicts storm tracks where they should be, it predicts ocean circulation where it should be, it grows trees where it should, it grows a carbon cycle—it really is remarkable.”

Jag hittade den här artikeln genom ClimateSight, en blogg som drivs av en doktorand (Kate) som forskar kring just klimatmodellering.

En annan bra blogg om klimatmodeller är Climate Lab Book, som drivs av forskaren Ed Hawkins.

Climate Lab Book om "uppvärmningspausen"

Ed Hawkins har ett intressant inlägg på bloggen "Climate Lab Book", som drivs av National Center for Atmospheric Science Center, UK. Det handlar om den nedsaktade uppvärmningen av atmosfären vid markytan (yttemperaturen). Han länkar bl a till en "briefing" för journalister som berättar det följande:

• Ocenanernas värmeupptag är del av förklaringen
• Vi har haft ett kraftigt sol-minimum under 2008-2009, och ett antal mindre vulkanutbrott sedan 2000
• En del forskare har också föreslagit aerosoler från bl a kolförbränning som en förklaring, men bevisningen är otillräcklig.
• Klimatmodellerna är inte gjorda för att återskapa exakt samma "bulor och gupp" som vi ser i den observerade yttemperaturen (från bl a El Nino/La Nina, min anmärkning). Därför kan man inte jämföra modeller och observationer över korta tidsperioder.
• Klimatmodellerna kan dock simulera perioder med avsaktad uppvärmning och rent av avkylning.
• Klimamodellerna är ofullständiga: det finns faktorer som vi inte vet tillräckligt mycket om för att inkludera i modellerna.

Hawkins visar också följande bild, som föreställer observerade yttemperaturer till 2013 (svart linje), samt ett antal simuleringar fram till 2060 (gråa linjer). En av dessa simuleringar är i blått, och där kan vi se två längre perioder med nedsaktad eller rent av avstannad uppvärmning (grönt och lila), liksom två längre perioder med mycket snabb uppvärmning (rött och gult). Som vi ser har både den observerade yttemperaturen och dessa simuleringar en hel del "bulor och gupp", dvs kortsiktiga variationer. Dessa har dock liten betydelse för en långsiktiga temperaturutvecklingen.

Det är alltså med nuvarande modeller inte möjligt att förutsäga när perioder av nedsaktad eller avstannad uppvärmning kommer att ske, med de visar att sådana perioder kan ske.

Met Office ha också gett ut tre rapporter om frågan. Även de pekar på haven som den viktigaste förklaringen.

Salbys ansträngda förhållande till sanningen

Se uppdateringar längst ner i inlägget.

Den australiska professorn Murry Salby är i ropet igen. Nu cirkulerar en video med presentation som han gjorde i Hamburg i våras. Salby försöker påskina att CO₂-ökningen i atmosfären är en effekt av temperaturökningen, och alltså inte beror på vår användning av fossila bränslen. Vi har redan skrivit om varför detta är fel. Vi har också tidigare kritiserat Salby för att använda vilseledande grafer för att underbygga sitt resonemang. Han kör tyvärr samma knep i den här presentationen. I det här inlägget ska vi dock titta på två andra tillfällen då Salby vilseleder.

Det första kommer runt 40.e minuten då Salby visar den här bilden:

Bilden visar CO₂-mätningar från SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CHartographY), som är ett instrument ombord ENVISAT-satelliten. Lägg märket till de relativt låga uppmätta CO₂-nivåerna i Europa, Nordamerika, norra Kina och Japan. Salby hävdar att detta visar att CO₂-ökningen inte beror på våra utsläpp.

Men om man kollar vad forskarna säger (sidan 2867 i den länkade artikeln, Schneising et al. Long-term analysis of carbon dioxide and methane column-averaged mole fractions retrieved from SCIAMACHY, Atmos. Chem. Phys., 11, 2863–2880, 2011) så får vi en annan förklaring:

The resulting annual composite averages of atmospheric XCO₂ after quality filtering for the years 2003–2009 are shown in Fig. 2 exhibiting similar patterns for all years superposed by a steady quite homogeneous increase with time. A significant part of the CO₂ spatial variations shown in Fig. 2 results from the irregular sampling of the SCIAMACHY XCO₂. For example, the mid- and high-latitudes of the Northern Hemisphere are strongly weighted towards late spring, summer, and early autumn, where CO₂ is known to be much lower than for the (true) yearly average. This uneven weighting is due to the significantly higher cloud cover in winter but also because of larger solar zenith angles and snow coverage. As a result, most of the mid- and high-latitude measurements in winter are automatically filtered out by the implemented quality filtering scheme.

I korthet: vid högre latituder finns det färre mätningar från vintern när CO₂-halten är som högst, pga att moln, snö och solens vinkel förvårar mätningar vid den tiden. Därför ser de årliga nivåerna ut att vara lägre än de egentligen är. Detta säger Salby dock ingenting om. Här är förresten figur 2 som omtalas i citatet:

Nåväl, det där skulle kunna har varit ett misstag från Salbys sida. Kanske han bara är slarvig och inte läser sina källor ordentligt. Nästa sak är dock svårare att förklara som ett misstag.

Bilden visar (enligt Salby) genomsnittet av ett antal simuleringar för temperaturen (blått), samt simulerat CO₂ (grönt). Enligt Salby bevisar detta att i klimatmodellerna så bestäms förändringar i temperaturen helt och hållet av förändringar i CO₂.

Global temperature doesn't just increase with increasing CO2. It tracks it, almost perfectly. In the models, changes in temperature and CO₂ are isomorphic. They have exactly the same form. Their relationship is so tight, you don't even need a climate model. Fractional increase in CO₂ entirely determines the fractional increase of global temperature. The simulated relationship is remarkable. Here is why. Remember the global energy budget. It is what determines global temperature. Increasing CO₂ contributes to the energy budget, but only at the one percent level. The one-to-one correspondences indicates that changes of global temperature remain in equilibrum with changes of CO₂, but nothing else. Dominant contributions to the energy budget either do not change, or if they do, they are enslaved to CO₂. Those contributions can change only in direct proportion to CO₂ which in the model controls everything.

Men detta är helt enkelt inte sant! Se t ex på den här bilden från Ed Hawkins vid National Centre for Atmospheric Science vid University of Reading i Storbritannien.

Den föreställer två simuleringskörningar (blått och rött), samt uppmätt temperatur (svart). Simuleringarna går inte monotont uppåt - tvärtom innehåller de många toppar och dalar. Dessa beror på andra faktorer än CO₂ (och andra växthusgaser). I den här bilden så är en enda modell används och förutsättningarna för modellkörningarna är identiska, men även då så ser de väldigt olika ut.

Här ser vi körningar från 42 olika modeller, och som synes så har de stor spridning. De körs med samma forcings från växthusgaser (RCP4.5, där RCP står för Representative Concentration Pathways).

Vad Salby visade i sin bild var ett genomsnitt av ett stort antal simuleringar, och då tar variationerna ut varandra. Då får man den jämnt stigande linjen i Salbys bild. Salbys bild visar alltså inte att temperaturen följer CO₂ exakt i modellerna. Det är mycket svårt att tro att Salby inte begriper detta.

Man har också använt klimatmodeller för att simulera gångna tiders klimat, t ex under senaste nedisningen. Se t ex den här figuren från Branconnot et al, Evaluation of climate models using palaeoclimatic data, Nature Climate Change, 2012 som visar det senaste nedisningsmaximat Det skulle knappast ha gått om Salbys påstående att CO₂ helt styr temperaturen i klimatmodellerna var sant.

Någon kanske reagerar på rubriken till det här inlägget: "Salbys ansträngda förhållande till sanningen". Kan man verkligen skriva så i en vetenskaplig diskussion? Men Salby försöker inte bidraga till någon vetenskaplig diskussion. Hans felaktigheter är tyvärr för många och för grova för att kunna förklaras som oskyldiga misstag eller som tolkningsfrågor. Han är helt enkelt ute efter att förvilla. Han saboterar förutsättningarna för en viktigt vetenskaplig diskussion. För detta förtjänar han hård kritik.

Uppdatering 130628: I ett inlägg på "Klimatupplysningen" idag så demonstrerar Pehr Björnbom sin oförmåga att förvara Salby med sakliga argument. I stället får vi gnäll om att Salby "utsätts [...] för en smutskastningskampanj". (Särskilt komiskt för att komma från en blogg där man älskar att kasta smuts). Nej Pehr, man kan inte ignorera förbehållen om SCIAMACHY bara för att de inte stod i själva bildtexten, och von Storch säger inte samma sak som Salby.
Men det finns en intressant sak: Björnbom har beräknat en "koldioxidkurva" utirfrån hypotesen att förändringen av koldixidhalten beror linjärt på den nuvarande temperaturanomalin (HadCRUT4) minus -0.415. Det senare är av en ren tillfällighet (ironi) en typisk temperatur under den tidiga industrialismens tidsålder, då vi började använda fossila bränslen. Och eftersom temperaturen har varit högre sedan dess, så får man bekvämt nog en kurva som är garanterad att stiga närmast monotont uppåt. Man kan ju också fundera på hur det skulle fungera att ta det förhållandet lite längre bakåt i tiden. Och hur skulle man kunna förklara det rent fysikaliskt?

Uppdatering 130713: Det är inte bara i sina presentationer som Salby vilseleder. Det har just framkommit att Salby under sin tid vid  University of Colorado var föremål för en utredning från National Science Foundation (NSF), som finanisierar forskning. De kom bl a fram till det här:

We conclude that the Subject has engaged in a long-running course of deceptive conduct involving both his University and NSF. His conduct reflects a consistent willingness to violate rules and regulations, whether federal or local, for his personal benefit. This supports a finding that the Subject is not presently responsible, and we recommend that he be debarred for five years. The debarment regulation allows a Federal agency to impute the behavior of an individual to an organization. Accordingly, NSF may also choose to debar Company 1 and Company 2, based on their identity with the Subject, their extensive non-compliance with NSF regulations, and their imputed inability to properly administer an award or a subcontract involving NSF funds.

Mer info finns på DeSmogBlog.
Att Salby försnillar forskningsmedel betyder inte i sig att han har fel om klimatet. Vad som är fel i hans argument har vi i stället påpekat här ovan och i tidigare inlägg. Men det ger stöd för uppfattningen att Salbys felaktigheter inte är olyckliga missförstånd, utan avsiktliga och medvetna lögner. 

Simuleringar och verkligheten

Den här figuren är från Ed Hawkins vid National Centre for Atmospheric Science vid University of Reading i Storbritannien. Den föreställer den globala temperaturen från två simuleringskörningar med den globala klimatmodellen CSIRO Mk3.6 (rött och blått). Där finns också den observerade temperaturen enligt HadCRUT4 (svart). Simuleringskörningarna har samma forcings, men ger ändå olika kurvor. Dessa olika kurvor är helt enkelt olika väder. I den ena körningen (rött) går uppvärmningen under de senaste åren fortare än den observerade, och i den andra (blått) något långsammare än den observerade. I ett längre perspektiv spelar detta dock ingen roll: båda simuleringarna har nått över 1 grad vid 2050.

Det här visar att klimatmodellerna är konsistenta med den långsammare uppvärmning som vi har haft de senare åren.

"Klotet" om klimatet

Vetenskapsradions program och blogg "Klotet" har ett par intressanta inslag om klimatet, där man intervjuar svenska klimatforskare.

• "Klimatkänsligheten kan vara något lägre - men den globala uppvärmningen fortsätter", med Markku Rummukainen, Lund, och Deliang Chen, Göteborg.
  – Många av de senare studierna tyder på att de väldigt höga värdena inte verkar lika troliga, sannolika eller lika möjliga, som utifrån den tidigare forskningen. Det finns också nya studier som tyder på att värdet skulle kunna ligga i det nedre området.
• "Många sammanlagda studier behövs för att bedöma hur känsligt klimatsystemet är", med Erik Kjellström och Patrick Samuelsson från SMHI i Norrköping.
  – Modellerna är ju, som alla modeller, förenklade beskrivningar av verkligheten. Även om de är ganska komplexa.. Det betyder också att man inför osäkerheter och fel i sina beskrivningar av hur det kommer att bli i framtiden. Så har man två olika modeller kommer de att ha litet olika representation av de här väsentliga processerna och därför kommer svaren att skilja sig åt litetgrann.
• "Djuphavet absorberar en del av den globala uppvärmningen", med Erland Källén, Reading.
  – När man tittar på havsytetemperaturerna så har de inte värmts upp lika kraftigt de senaste 10-15 åren som de borde ha gjort med tanke på ökningen av koldioxidhalten. Och nu har vi hittat en möjlig förklaring till det, nämligen att värmen har försvunnit ner i djuphaven istället.

Aerosoler som ögongodis

Klicka för full storlek
William Putman, NASA/Goddard

Porträtt av aerosoler från högupplöst klimatmodell vid NASA Center for Climate Simulation.

Rött - damm som virvlas upp från marken
Blått - salt från havet som frigörs i cykloner
Grönt - rök från bränder
Vitt - sulfater från förbränning av fossilt bränsle och vulkaner

Inte bara en klimatkänslighet

En av de mest omdiskuterade måtten på jordens klimatsystem är klimatkänsligheten, med vilket vanligen menas hur stor en förändring i den globala medeltemperaturen vi kan förvänta oss efter tillräckligt lång tid som resultat av en viss förändring av strålningsbalansen¹. (En mer utförlig förklaring hittar ni här). Ofta används den förändring av strålningsbalansen som uppnås av en fördubblad koncentration av koldioxid i atmosfären (~3.7 W/m²) som ett referensvärde.

Att sammanfatta alla aspekter av ett komplext system, så som jordens klimat, i ett enda tal är av uppenbara skäl omöjligt, men detta hindrar inte att vissa mått kan vara användbara för att beskriva systemet. Det är viktigt att poängtera att klimatkänsligheten i regel antas vara oberoende av orsaken till förändringen i strålningsbalansen. Det betyder att exempelvis 1 W/m² extra i instrålning från solen ger samma temperaturändring som 1 W/m² från ökade koncentrationer av växthusgaser. Detta är en sanning med viss modifikation², men tillräckligt tillförlitligt för de flesta resonemang som förs.

Men hur lång tid är tillräckligt lång tid? Svaret beror på vilka återkopplingar vi vill och har möjlighet att ta med i beräkningen. Om vi enbart låter temperaturprofilen i atmosfären ändras, utan att faktorer som mängden vattenånga i atmosfären förändras, får vi den strålningsfysiska klimatkänsligheten. Den är förhållandevis rättfram (fast givetvis inte enkel) att beräkna, just eftersom att atmosfärens sammansättning, albedo med mera antas vara konstanta. Den strålningsfysiska klimatkänsligheten är ungefär 1 ^oC. ³

In kommer återkopplingar, vilka agerar på olika tidsskalor. På tidsskalor om timmar till månader sker förändringar av mängden vattenånga i atmosfären, temperaturavtagandet med höjden samt molnighet. På år till decennieskala sker bland annat förändringar av snötäcke, vegetation och havsisutbredning. På än längre sikt tillkommer tex. förändringar av de stora inlandsisarna.
En ytterligare form av återkopplingar är de som påverkar kolcykeln. Varmare hav tenderar att lösa mindre koldioxid vilket påverkar mängden i atmosfären. Växthusgasutsläpp från tinande permafrost och förändring av koldioxidupptaget i skog och mark är ytterligare exempel på kolcykelåterkopplingar.

Klimatkänsligheten beror alltså på vilka skeenden som inkluderas och vilken tidsskala som avses. Tre olika klimatkänsligheter  brukas ofta i klimatforskningen.

Transienta klimatkänsligheten
Denna är temperaturökningen vid den tidpunkt då koldioxidnivån fördubblats under förutsättning att koldioxidnivån ökat med 1% per år. Transienta klimatkänsligheten används ofta i modellerings-sammanhang då det tar mycket lång tid att uppnå temperaturjämvikt efter koldioxidökningen på grund av havens stora värmekapacitet. Den transienta klimatkänsligheten är lägre än jämviktskänsligheten samt påverkas av hur snabbt värmeupptaget i haven antas ske. (IPCC AR4 8.6.2, IPCC AR4 9.6.2)

Transienta klimatkänsligheten enligt Stott et al., 2006, IPCC AR4

Jämviktskänsligheten
Det är den mest använda klimatkänsligheten. Den temperaturökning som förväntas då temperaturjämvikt uppnåtts efter en fördubbling av koldioxidhalten. I praktiken inkluderas framför allt förhållandevis snabba återkopplingar. Jämviktskänsligheten kan bestämmas på många olika sätt så som vi skrivit om i ett tidigare inlägg. Troligen är jämviktskänsligheten 2,0 - 4,5°C.

För klimatmodeller är den klassiska varianten kallad Charney-känsligheten, efter Charney-rapporten från 1979, som inkluderar de återkopplingar som syns i figur A ovan. Dock inkluderar moderna klimatmodeller även andra återkopplingar i mer eller mindre omfattning vilket gör att de kan beskrivas som jordsystem-modeller.

Jordens systemkänslighet
När man inkluderar även långsamma återkopplingar och effekter på tex. kolcykeln för att så bra som möjligt återspegla jordens hela klimatsystem inklusive på lång sikt. Då kan man tala om jordens systemkänslighet för att tydliggöra detta. Denna är inte så väl utforskad som de två övriga  men det mesta talar för att den är högre än den vanligen angivna jämviktskänsligheten. Till exempel fann en studie av Lunt et al 2010 att den är 30-50% högre.

¹Jorden mottar energi i form av strålning från solen och strålar i sin tur ut energin i världsrymden. Mottar mer energi, eller skickar ut mindre, kommer temperaturen öka. Därigenom ökar utstrålningen vilket etablerar ett nytt fortvarighetstillstånd, dvs. att den utsända energin är lika stor som den mottagna. En förändring i strålningsbalansen kallas 'radiative forcing' på engelska. 

²För förändringar i strålningsbalansen som orsakas av faktorer med ovanlig fördelning vertikalt eller horisontellt är svårare att tillämpa klimatkänsligheten som mått (läs mer på RealClimate och i senaste IPCC-rapporten). 

³För temperaturskillnader är temperaturenheterna ^oC och K desamma.

Det våtare blir våtare och det torrare torrare

Utifrån en modell av NOAAs Geophysical Fluid Dynamics Laboratory förklaras här den förväntade förändringen av den globala mnederbördsfördelningen.

AGU 2011: Havsnivåhöjning, moln och John Tyndall

Presenterar några ytterligare intressanta videor från AGU 2011

We Are All Engineers Now: Delivering Useful Projections of Sea Level Rise  

Tad Pfeffer beskriver forskningsläget kring jordens landisar och deras bidrag till havsnivåhöjningen. Han visar hur osäkerheten kring kommande havsnivå ökar kraftigt under handra halvan av detta århundrade. Han argumenterar för att lyfta fram projektioner fram till 2050 som har mindre oäkerheter och större relevans för ingenjörer och samhällsplanerare. Detta byte av fokus kan också bidra till att havsnivåhöjningen blir aktuell för policybeslut. (Föredraget börjar 6 min in i videon.)

C24A : Nye Lecture from American Geophysical Union on Vimeo.

Climate Change: A Very Cloudy Picture

Graeme Stephens föreläser om moln och klimatpåverkan. Hur moln fungerar. Vad som hänt i förståelsen och modelering av moln - en hel del visar det sig. Men också varför han inte tror att osäkerheten i klimatkänsligheten på grund av molnen kommer att kunna minskas inom överskådlig tid.

A21G : Charney Lecture from American Geophysical Union on Vimeo.

John Tyndall: His Pioneering Contributions to Climate Science and Scientific Outreach

Richard Somerville berättar om John Tyndalls liv och verk. Det är i år 150 år sedan Tyndall publicerade On the Absorption and Radiation of Heat by Gases and Vapours, and on the Physical Connexion of Radiation, Absorption, and Conduction där han experimentellt visade olika gasers värmeabsorberande egenskaper och kopplade de till atmosfärens växthuseffekt. Även Svante Arrhenius får vara med på ett hörn.

CG43H : AGU Fall Meeting 2011 from American Geophysical Union on Vimeo.

Prognoser, förutsägelser och projektioner

I klimatsammanhang förekommer alla tre ord prognos, (vetenskaplig) förutsägelse och projektioner. Ord som har snarlik betydelse men med viktiga skillnader. Det kan vara värt att titta på begreppen mer i detalj.

• prognos (eng. forecast) är vad som förväntas hända i framtiden baserat på kunskap om dagens situation och systemets funktion. De handlar vanligen om individuella utvecklingsvägar, tex. vädret eller en persons sjukdom, även om de kan anges med sannolikhetsbedömningar, tex. 60% risk för regn. De har det uttryckta eller outtryckta tillägget "oförutsedda händelser förutan" men utgår från att man tagit hänsyn till alla viktiga faktorer.
• Förutsägelse (eng prediction) är i vetenskapliga sammanhang "om X så förväntas Y" resonemang. Vanligt som hypotes- eller teori-prövning: "Om uppvärmningen beror på växthusgaser ska stratosfären kylas" (vilken den gör). De behöver inte handla om framtida förändringar utan kan vara andra konsekvenser av en hypotes eller teori.
  
• Projektion (eng projection) är den beteckning som IPCC valt på sina presentationer av möjliga framtida klimat. En projektion är lik en förutsägelse men baserat på ett scenario. Scenarierna i sin tur är beskrivningar av möjliga utvecklingar av klimatpåverkande faktorer, i huvudsak mänskliga utsläpp av växthusgaser. Projektionerna bygger på sammanställningen av många klimatmodellkörningar under ett valt scenario. Projektionen beskriver alltså hur klimatet reagerar på en viss framtida påverkan utgående från dagens teorier. Den påminner om en prognos men är det inte då den både baseras på en av många möjliga scenarier och det handlar om klimat som är ett "medelvärde" av väder och inte en speciell individuell väderutvecklingsbana.
  

Osäkerheten kring projicerade framtida klimatförändring kommer från flera källor. Det är den interna variationen i klimatsystemet (tex. El Nino/La Nina), det är osäkerheterna i modellernas beskrivning av klimatsystemet och det är osäkerheten i scenario. Av de tre osäkerhetsfaktorerna är det scenariot som på lång sikt är det största. Alltså vilken utveckling vi får av mänsklig klimatpåverkan.

En grafisk beskrivning av de olika osäkerheterna kring global medeltemperatur, 10-års medelvärde, baserade på CMIP-3 modellensemble. Gult är effekten av systemets interna variation. Blått effekten av de olika modellerna, speglande variation i beskrivningen av klimatsystemet mellan olika modeller. Grönt effekten av olika scenarier, i detta fall SRES A1B, A2 och B1. Från Hawkins och Sutton 2010

Låt din dator hjälpa klimatforskningen

Varför inte låta din dator förbättra klimatmodellerna eller prognosticera framtida klimat medan du fikar eller är på möte. Climateprediction.net är ett projekt som nyttjar över 50 000 datorer världen över för att köra olika klimatmodeller. Programmet som används körs som en bakgrundsprocess och påverkar inte märkbart din egen användning av datorn.

Climateprediction.net använder sig av BOINC från Berkely, University of California, som utvecklats för distribuerade vetenskapliga beräkningar. Med BOINC följer ett visualiseringsverktyg så du kan se vad som händer i din beräkning och om du kör Windows eller OS X även en skärmsläckare där du kan följa beräkningarna.

Läs mer om Climateprediction.net på Wikipedia
Läs mer om experimenten här
Ladda ner BOINC och sätt igång.

Uppdatering: Climateprediction.net har nyligen startat ett nytt projekt weatherathome som fokuserar på simulering av väderförändringar på grund av klimatförändring i några viktiga områden: västra USA, södra Afrika och Europa.

Du är också välkommen att ansluta dig till Team Uppsalainitiativet

Antropogen temperaturökning under 1900-talet

Att globala medeltemperaturen stigit 0,7-0,8 grader under 1900-talet är idag ställt utom varje rimligt tvivel (se tex här). Men hur stor del är på grund av mänsklig aktivitet?


För att kunna svara på frågan måste vi ta reda på hur temperaturen skulle utvecklats utan mänsklig påverkan.

De viktigaste naturliga faktorerna är förändringar i solinstrålning och kylning på grund av vulkanism. De viktigaste antropogena faktorerna är utsläpp av koldioxid och andra växthusgaser, utsläpp av kylande (svaveldioxid) och värmande (sot) aerosoler, avskogning samt förändringar av ozonförekomst¹. Nedanstående figur visar hur påverkan från dessa faktorer bedöms ha förändrats under förra seklet.
Förutom dessa påverkningar måste man ta hänsyn till återkopplingar i klimatsystemet som tex. mängden vattenånga i atmosfären och is/snötäcke. För att göra detta behöver vi en modell av hur klimatet fungerar. (Det är alldeles för komplicerat för att beräkna på en servett.)

Så vad blir resultatet om vi använder moderna klimatmodeller och jämför temperaturutvecklingen under 1900-talet med och utan mänsklig påverkan. Svaret kan vi tex. återfinna i senaste IPCC-rapporten.

a) Med både naturlig och mänsklig påverkan. b) Med bara naturlig påverkan. Svart kurva observerad temperaturutveckling. IPCC AR4 WG1 ch. 9 fig. 9-5

Resultaten från modellberäkningar visar att antropogena faktorer står för mellan 85 och 115 % av den observerade temperaturhöjningen under förra seklet². Det är alltså helt korrekt att beskriva 1900-talets uppvärmning som ett resultat av mänsklig aktivitet framför allt i form av förbränning av fossila bränslen.

________________________________

1) Mänsklig aktivitet har inte bara tunnat ut ozonskiktet i stratosfären utan även ökat mängden marknära ozon. Ozon är en växthusgas så ökningen av marknära ozon bidrar till temperaturökningen. En annan klimateffekt av marknära ozon som uppmärksammats på senare tid är indirekt påverkan genom dess skadlighet för växter.

2) Se även om koldioxidens andel i uppvärmningen här

Figur 1: Källa