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 20^e 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 20^e 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 20^e 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 20^e 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 20^e 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 20^e 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 20^e 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 20^e 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.