Klimaatgevoeligheid en de zoektocht naar het ‘wat’ en ‘waarom’

• De verschillende antropogene invloeden die hebben geleid tot een temperatuurstijging sinds de industriële revolutie zijn niet allemaal uniform verdeeld over de aarde. Zo zijn, in tegenstelling tot de homogeen verdeelde broeikasgassen, de concentraties aan aerosolen en ozon voornamelijk gelokaliseerd boven het Noordelijk Halfrond.
• Als men rekening houdt met een verschil in ‘effectiviteit’ van de diverse invloeden (forceringen), veroorzaakt door de inhomogene spreiding, leidt een afleiding van de klimaatgevoeligheid op basis van de observaties van de 20e eeuw tot waarden die beter overeenkomen met de paleoklimatologische data en de klimaatmodellen.

In de wetenschap, en vanzelfsprekend ook de klimaatwetenschap, poogt men antwoorden te geven op allerlei ‘wat’ en ‘waarom’ vragen. Waarom stijgt de zeespiegel, waarom is CO2 een broeikasgas of wat zal de gemiddelde temperatuur op aarde in 2100 zijn? Een belangrijk punt bij die laatste vraag is onderdeel van een boeiend en soms complex debat in de klimaatwetenschap: “Wat is de grootte van de klimaatgevoeligheid?”.

De klimaatgevoeligheid voor de evenwichtssituatie (ECS) betreft de temperatuurstijging die we zullen krijgen ten gevolge van een verdubbeling van de CO2 concentratie en we vervolgens netjes wachten totdat het gehele systeem – de atmosfeer, de ijskappen en de oceanen – energetisch weer in evenwicht is geraakt (zie hier voor een overzicht van de begrippen). Een bijzonder lastig punt hierbij is dat we deze toekomstige temperatuurstijging niet gewoon eventjes experimenteel kunnen vaststellen en ook dat toekomstige metingen helaas nu nog niet beschikbaar zijn (naar Gavin Schmidt’s Ted Talk en Knutson en Tuleya). De klimaatwetenschap probeert daarom de grootte van de klimaatgevoeligheid af te leiden, bijvoorbeeld uit klimaatmodellen, of uit gegevens van het verre aardse verleden (paleoklimatologie) of uit de observaties van de 20e eeuw.

Het interessante is nu dat ten eerste alle afleidingen van de grootte van de klimaatgevoeligheid gepaard gaan met behoorlijke onzekerheden en ten tweede dat één type afleiding een wezenlijk ander resultaat geeft dan andere typen afleidingen. Zo geven bijv. de klimaatmodellen en de paleoklimatologie data een ECS van circa 3 °C voor een verdubbeling van de CO2 concentratie en geven berekeningen gebaseerd op de observaties van de 20e eeuw een ECS van circa 2 °C. Het IPCC heeft in hun laatste rapport naar alle verschillende afleidingen en hun onzekerheden gekeken en daaruit geconcludeerd dat de evenwichtsklimaatgevoeligheid waarschijnlijk ergens tussen 1.5 en 4.5 °C ligt en heeft dit keer geen beste schatting afgegeven. Zie figuur 1.
Vandaar het ‘boeiende debat’, de wetenschap moet op zoek naar het ‘waarom’ van deze verschillen opdat men daarna een beter antwoord kan geven op de vraag: “Wat is de grootte van de klimaatgevoeligheid?”.

Figuur 1. Een overzicht van diverse ECS bepalingen voor diverse bewijscategorieën. De grijze band is de IPCC range van 1.5 tot 4.5 °C (bron: IPCC AR5 figuur 12.45).

Dit jaar zijn er enkele artikelen gepubliceerd waarin men de bepaling van de klimaatgevoeligheid, gebaseerd op de observaties van de 20e eeuw, onder de loep heeft genomen. Het betreft “Inhomogeneous forcing and transient climate sensitivity” van Shindell en “The impact of forcing efficacy on the equilibrium climate sensitivity” van Kummer en Dessler.

Shindell is coauteur van het bekende artikel van Otto et al uit 2013, waarin men berekende dat de ECS circa 2.0 °C is (1.2 – 3.9 °C, ref. periode 2000-2009) en de overgangsklimaatgevoeligheid, de TCR, circa 1.3 °C (0.9 – 2.0 °C). Een kanttekening bij deze ECS berekening is dat het een berekening betreft aangaande een systeem dat nog niet volledig in evenwicht is, men spreekt daarom soms van de Effective Climate Sensitivity.
In deze berekeningen gebruikt men schattingen van de toename van de temperatuur, de opgenomen energie door de oceanen (bij de ECS bepaling) en de verandering in de stralingsforcering, gedurende een bepaalde periode (bijv. 150 jaar). De verandering in de stralingsforcering is de som van de veranderingen in de bijdrage aan de energiebalans van de aarde door diverse componenten, zoals de broeikasgassen, de aerosolen, de zon et cetera. De broeikasgassen hebben uiteraard een opwarmend effect maar de aersolen netto juist een afkoelend effect. In de ECS en TCR bepalingen uit de observaties van de 20e eeuw gaat men ervan uit dat elke stralingsforcering in W/m² van een bepaalde component over die periode hetzelfde doorwerkt als die van CO2. Deze ‘effectiviteit’ of ‘werkzaamheid’ noemt men ’efficacy’ (afgekort met E). De E is gedefinieerd als de mate van opwarming die een bepaalde forcering in W/m² veroorzaakt, gerelateerd aan dezelfde forcering in W/m² die CO2 veroorzaakt. Een E van 1 betekent dat een forcering dezelfde ‘effectiviteit’ als CO2 heeft en een even grote verandering van de temperatuur teweeg brengt per W/m². Een E groter dan 1 betekent dat de temperatuurverandering groter zal zijn dan bij CO2, per W/m².

Shindell heeft onderzocht of de aanname dat de efficacy E = 1 voor al die componenten wel correct is. Immers, in tegenstelling tot de broeikasgassen, zijn bijv. de aerosolen en ozon zeker niet mooi uniform verspreid over de aarde, de luchtvervuiling is voornamelijk geconcentreerd boven industriële gebieden op het Noordelijk Halfrond. Het Noordelijk Halfrond heeft een grotere landmassa dan het Zuidelijk halfrond en het land reageert sneller op forceringen dan de oceaan: het land warmt sneller op of koelt sneller af. Op het Noordelijk Halfrond zijn daarnaast grotere gebieden bedekt met ijs en de hoeveelheid ‘wit’ beïnvloedt eveneens temperatuurveranderingen door terugkoppelingen. Doordat de aerosolen en ozon niet uniform zijn verdeeld over de aarde is hun gezamenlijke afkoelende werking groter dan het geval zou zijn als ze wel uniform zouden zijn verdeeld. Intuïtief zou je daarom verwachten dat de E voor de aerosolen en ozon groter dan 1 zou moeten zijn.

Figuur 2. Schematische weergave van de inhomogene verdeling van forceringen. Uit de video van Dessler (zie einde blogpost).

Om een schatting van de efficacy E te maken heeft Shindell de output van klimaatmodellen bestudeerd en via berekeningen aangaande de inhomogene verspreiding van diverse componenten komt hij op een E van 1.53 (1.18 – 2.43) voor de aerosolen en ozon bij een stijging van de CO2 concentratie met 1% gedurende 70 jaar. Het effect van de gezamenlijke grotere (afkoelende) temperatuurverandering door de aerosolen en ozon, door de hogere efficacy, neemt af in de tijd doordat de komende eeuw de forcering door de broeikasgassen sterk zal stijgen (bij ongewijzigd beleid), terwijl de forcering van aerosolen en ozon veel minder verandert. Zie ter illustratie figuur 3. De rode stippellijn is een indicatie van de temperatuurverandering met een E van 1 en de groene lijn de temperatuurverandering voor een E van 1.4.

Figuur 3. Een indicatie van de temperatuurstijging tot 2050 voor het RCP8.5 scenario uitgaande van een efficacy voor aerosolen en ozon van 1, de rode stippellijn, en van een efficacy van 1.4, de groene lijn (figuur 3 uit Shindell 2014).

De berekeningen van Shindell leiden tot een overgangsklimaatgevoeligheid TCR van 1.4 °C (1.0 – 2.1 °C) als de efficacy E = 1 zou zijn, wat vergelijkbaar is met de uitkomsten van Otto et al. Gebruikt hij een efficacy van 1.53 dan vindt hij een TCR van 1.7 °C (1.3 – 3.2 °C). Shindell concludeert nu het volgende:
“I find that accounting for this enhancement largely reconciles the two sets of results [modellen en observaties], and I conclude that the lowest end of the range of transient climate response to CO2 in present models and assessments (<1.3 °C) is very unlikely.”.

In zijn artikel geeft Shindell geen schatting voor de evenwichtsklimaatgevoeligheid ECS. Hiervoor moeten we de blik richten op Kummer en Dessler. Zij hebben een methode gebruikt die vergelijkbaar is met de Otto et al methode, echter in plaats van een lineaire benadering (data 2000/09 minus data 1860/89) gebruiken zij een integraalbenadering. Een ander verschil is dat zij voor het bepalen van de veranderingen in de warmte-inhoud van de oceanen de dataset gebruiken zoals te vinden is in Balmaseda et al, de zogenaamde ORAS4 her-analyse. Deze dataset geeft een schatting van de verandering van de warmte-inhoud van de gehele oceaan, dus inclusief de diepe oceaan en dat laatste ontbreekt in de andere oceaan-datasets.

De methode van Kummer en Dessler leent zich ook voor het schatten van de ECS via het gebruik van de efficacy E in hun formules. Voor E = 1 vinden zij een ECS van 2.3 °C (1.6 – 4.1 °C) iets hoger dan Otto et al, wat vermoedelijk wordt veroorzaakt door de afwijkende oceaandataset. Als zij rekenen met de E = 1.5, die Shindell heeft berekend, komen zij op een ECS van 3.5 °C (2.1 – 10.2 °C). Een E van 1.33 geeft een range voor de klimaatgevoeligheid die redelijk overeenkomt met de IPCC range en hun ECS is dan 3.0 (1.9 – 6.8 °C). Zie figuur 4 voor een tabel met diverse ECS bepalingen gebaseerd op de observaties van de 20e eeuw.
Kummer en Dessler concluderen uiteindelijk:
“Thus, an efficacy for aerosols and ozone of ≈1.33 would resolve the fundamental disagreement between estimates of climate sensitivity based on the 20th-century observational record and those based on climate models, the paleoclimate record, and interannual variations. It would also mean that the 20th-century observational record strongly supports the IPCC’s canonical range. Clearly, better quantification of the forcing efficacy should be a high priority.”.

Figuur 4. Een overzicht van diverse schattingen van de ECS gebaseerd op de observaties van de 20e eeuw. Tabel 1 uit Kummer en Dessler 2014.

Shindell, Kummer en Dessler laten zien dat de eerdere bepalingen van de klimaatgevoeligheid gebaseerd op de observaties van de 20e eeuw wellicht aan de lage kant zijn. Op RealClimate komt Shindell daarom met een ontnuchterende boodschap:
“It would be nice if sensitivity was indeed quite low and society could get away with smaller emission cuts to stabilize climate. Unfortunately, several lines of independent evidence now agree that this is not the case.”

Wordt ongetwijfeld vervolgd met langzaam maar zeker meer antwoorden op de intrigerende ‘wat’ en ‘waarom’ vragen over de klimaatgevoeligheid.

Hieronder de video van Dessler waarin hij hun onderzoek toelicht.

8 Reacties op “Klimaatgevoeligheid en de zoektocht naar het ‘wat’ en ‘waarom’

  1. Dat is (weer eens) een mooi overzicht, Jos.

    Ik heb de indruk dat de wetenschappelijke gemeenschap nu toch weer naar een ‘best estimate’ voor de klimaatgevoeligheid begint te koersen, namelijk rond 3 (ECS), op basis van een beter begrip van het klimaatsysteem.

    In dat verband ben ik wel benieuwd naar je visie op de discussie op climatedialogue.nl die net op gang is gebracht rond klimaatgevoeligheid. De vraag is wat die discussie daar nu eigenlijk toevoegt aan alle lopende onderzoek, waar recente studies van Shindell en Kummer & Dessler uit voortkomen.
    Ik hou er toch het beeld aan over dat voor de ontwikkeling van kennis van en inzicht in het klimaatsysteem het reguliere wetenschappelijke proces doet wat het moet doen. Climatedialogue, zou je kunnen beargumenteren, helpt zichtbaar te maken hoe de verschillende benaderingswijzen voor klimaatgevoeligheid ten opzichte van elkaar moeten worden gezien. Maar dat blijkt ook al wel bij lezing van de verschillende wetenschappelijke publicaties: de publicaties die op een lagere klimaatgevoeligheid uitkomen en de studies die een hogere waarde afleiden.

  2. Dank je Jan Paul,

    Ik heb de discussie op ClimateDialogue over de klimaatgevoeligheid deze week een keertje doorgelezen, maar nieuwe inzichten worden m.i. niet gepresenteerd (of ik heb ze over het hoofd gezien). Interessant vond ik dit keer wel dat Dessler en Sherwood blijkbaar een blik op de discussie hebben geworpen en een commentaar hebben achtergelaten. De discussie op CD laat inderdaad zien dat er verschillende benaderingswijzen voor de klimaatgevoeligheid bestaan, maar dat is geen nieuws. En buiten Lewis vinden de anderen dat alle studies over de klimaatgevoeligheid relevant zijn.

    Ik ben het met je eens dat het normale wetenschappelijke proces precies doet wat het moet doen, juist dat heeft dit jaar al nieuwe inzichten opgeleverd in de vorm van de artikelen die in dit blogstuk worden besproken of het artikel van Sherwood over het mixen van luchtlagen en bewolking.

    ClimateDialogue geeft zo af en toe een aardige kijk in de denkwereld van de discussianten, maar m.i. heeft het tot nu toe niet geleid tot het vergroten van de algemene kennis van de klimaatwetenschap. Een discussie op een blog geeft de deelnemers de mogelijkheid om uitspraken te doen of grafieken te presenteren waarmee ze in de wetenschappelijke literatuur niet mee weg kunnen komen. Daar zijn op CD helaas ook voorbeelden van te vinden.
    Ik heb daarnaast zeker niet de indruk dat de discussies op CD hebben bijgedragen tot het toegankelijker maken van het onderwerp van de discussie voor een groter publiek. Voor deze discussie over de klimaatgevoeligheid is dat niet anders.

  3. G.J. Smeets

    Jos,
    dank voor je helder inkijkje in de wetenschappelijke discussie over klimaatgevoeligheid. Ik leg je een vraag voor die ik ook aan Bart Verheggen n.a.v. zijn recente blogpost over Climatedialogue stelde: waar komt het meetinstrument ‘klimaatgevoeligheid’ vandaan, wie heeft het uitgevonden?

  4. Bob Brand

    Hoi Goff,

    Ik zou de klimaatgevoeligheid (TCR, ECS of Earth System Sensitivity) geen ‘meetinstrument’ noemen. Het is een parameter die in vergaande mate een abstractie is, zoals Gavin Schmidt het heel helder uitlegt op RealClimate:

    On Sensitivity Part I
    On Sensitivity Part II

    Tegenwoordig zouden we het een lumped parameter noemen, het eindresultaat van een reeks verschillende processen die de stralings-balans aan de top van de atmosfeer beïnvloeden. Deze processen hebben verschillende tijdconstanten, het maakt dus nogal wat uit of je kijkt over een periode van 70 jaar met telkens 1% toename v.d. CO2-concentratie (TCR), of nadat het systeem opnieuw ‘in equilibrium’ is gekomen (de ECS ofwel ‘Charney sensitivity’).

    Volgens mij was Arrhenius de eerste die het begrip ‘klimaatgevoeligheid’ gebruikte, dat was in 1896 en later in zijn herziene publicatie uit 1906:

    Svante Arrhenius, 1906, Die vermutliche Ursache der Klimaschwankungen, Meddelanden från K. Vetenskapsakademiens Nobelinstitut, Vol 1 No 2, pages 1–10

    Arrhenius was ook de eerste die het fysisch onvermijdelijke stralingsevenwicht aan de bovenzijde van de atmosfeer – in de nieuwe evenwichtssituatie – als uitgangspunt nam voor zijn berekeningen.

    Een separaat punt is nog dat het de vraag is of er zoiets bestaat als klimaatgevoeligheid. Waarschijnlijk is de respons van het klimaat-systeem op de forcering door verdubbeling van de CO2-concentratie (de +3,7 Watt/m²) iedere keer een beetje verschillend. M.a.w.: de dosis-respons relatie verschilt per keer, iets dat natuurlijk ook bij biologische systemen optreedt. Dat zal deels samenhangen met co-factoren (zoals hoeveel zeeijs er aanwezig was in de uitgangssituatie), maar ook met een ‘random’ factor — doordat de precieze evolutie van het klimaatsysteem elke keer iets verschilt.

    Er is dus eerder sprake van een kansverdeling dan van een parameter met één vaste waarde.

  5. Goff,

    In het Charney rapport uit 1979 is bij mijn weten voor het eerst een range afgegeven voor de temperatuurstijging die zal optreden als de CO2 concentratie in de atmosfeer zou verdubbelen en er een thermisch evenwicht is bereikt:
    “We estimate the most probable global warming for a doubling of CO2 to be near 3°C with a probable error of ± 1.5 °C.”
    http://www.atmos.ucla.edu/~brianpm/download/charney_report.pdf

    Hier een link naar het artikel van Arrenhius, met daarin commentaar van Prof. David Archer:
    http://geosci.uchicago.edu/~archer/arrhenius.1896.climate.pdf

  6. Ik kan me alleeen maar aansluiten bij Bob en Jos: Bij mijn weten was Arrhenius in 1896 idd de eerste die berekende wat de verwachte opwarming zou zijn agv een verdubbeling of verviervoudiging vdd CO2 concentratie. Er is sinds die tijd verrassend weinig verandering in (de range van) de geschatte waarde gekomen.

    Een heel mooi overzicht vd geschiedenis vd klimaatwetenschap is trouwens hier te vinden: http://www.aip.org/history/climate/index.htm Zeer lezenswaardig.

  7. G.J. Smeets

    Dank voor jullie leestips.
    De link naar de geschiedenis vd klimaatwetenschap is een goudmijntje.

  8. Hans Custers

    Goff,

    Dat goudmijntje van de geschiedenis is overigens ook een goed tegenargument op het eeuwige pseudosceptische gezeur over “de modellen”. Immers, de oude artikelen laten zien dat er op basis van (relatief) eenvoudige fysica een klimaatgevoeligheid te verwachten is, die niet veel afwijkt van de huidige inzichten. De vraag is dan: hoe kun je zonder geavanceerde modellen het resultaat dat uit die eenvoudige fysica volgt toetsen (ofwel falsifiëren). Antwoord 1: toch met modellen🙂. Antwoord 2: met zijn allen in de reageerbuis een halve of een hele eeuw afwachten wat er gebeurt. Antwoord 3: ???? (dit is volgens mij de pseudosceptische optie..)

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s