Nieuw onderzoek eerste kwartaal 2018

Er zijn de afgelopen tijd nogal wat interessante nieuwe artikelen verschenen. Teveel om allemaal in aparte blogstukken te behandelen. Vooral in maart was het prijs. Omdat een aantal van die artikelen de moeite waard is om te noemen volgt hier een versneld rondje.

Klimaatgevoeligheid

Klimaatgevoeligheid blijft een veelbesproken onderwerp, zowel in de wereld van de pseudosceptische ecomodernisten als in de serieuze wetenschap. Vaak gaat het dan over het verschil tussen schattingen volgens de zogenaamde observationele methode en schattingen gebaseerd op simulaties met klimaatmodellen. Een artikel van Marvel et al. in Geophysical Research Letters zoekt verklaringen voor dat verschil en borduurt daarbij voort op eerder onderzoek, zoals dat van Proistosescu en Huybers van afgelopen zomer.

Volgens dit onderzoek hebben twee factoren invloed gehad op het verloop van de mondiaal gemiddelde temperatuur in de afgelopen jaren, en daarmee ook op de klimaatgevoeligheid die mede op basis van dat temperatuurverloop wordt bepaald.

• Ten eerste is er het feit dat we in een overgangsklimaat zitten. De stralingsbalans is niet in evenwicht. Vanwege hun grote warmte-inhoud warmen oceanen minder snel op dan het land. Er zijn aanwijzingen dat (overwegend versterkende) terugkoppelingen in het klimaatsysteem niet constant zijn, maar sterker worden naarmate het klimaat dichter bij een stralingsevenwicht komt.
• Een specifiek temperatuurpatroon van het oceaanoppervlak zorgde voor meer bewolking boven oceanen in de tropen. Dit remde de opwarming van het klimaat. Het is aannemelijk dat dit patroon samenhangt met interne variabiliteit van het klimaat. Dat zou betekenen dat het tijdelijk is. Maar het zou ook een gevolg van de opwarming kunnen zijn dat door modellen niet goed wordt gesimuleerd. Wat dat zou betekenen voor een toekomstig, verder opwarmend klimaat is moeilijk te zeggen.

De conclusies zijn mede gebaseerd op wat “gemodelleerde observationele schattingen” genoemd zouden kunnen worden: schattingen van de evenwichtsklimaatgevoeligheid uit modelsimulaties waarin dezelfde berekeningen worden uitgevoerd over dezelfde periode (ruwweg de afgelopen anderhalve eeuw) als in observationele studies. Dat levert een lagere klimaatgevoeligheid op dan een berekening uit diezelfde modelsimulaties als die doorlopen tot het klimaat meer in evenwicht is. Voor de auteurs is dit reden om de observationele methode in zijn geheel ter discussie te stellen:

This suggests that ECS estimates inferred from recent observations are not only biased, but do not necessarily provide any simple constraint on future climate sensitivity.

Een ander, behoorlijk lang artikel over klimaatgevoeligheid is van Caldwell et al. in Journal of Climate. Hierin worden 19 eerdere onderzoeken onder de loep genomen naar zogenaamde “emergent constraints” (emergente begrenzingen) van de klimaatgevoeligheid. In zulke onderzoeken kijkt men naar één specifieke factor in het klimaat waarvan het aannemelijk is dat die samenhangt de klimaatgevoeligheid. Meestal heeft het met bewolking en de veranderingen daarin in het veranderende klimaat te maken. Men vergelijkt de simulaties van verschillende modellen van die ene factor met waarnemingen. De gedachte is dat modellen die dergelijke factoren het beste simuleren waarschijnlijk ook de beste schattingen van de klimaatgevoeligheid opleveren.

Caldwell et al. toetsen die 19 onderzoeken op verschillende manieren; onder andere aan de hand van de meest recente waarnemingen en ontwikkelingen in de klimaatwetenschap. Voor 15 van de 19 onderzochte begrenzingen hebben ze geen goed nieuws: die worden niet overtuigend bevonden. Nog slechter nieuws is misschien wel dat de vier onderzoeken die de kritische toetsen wel doorstaan alle vier op een relatief hoge klimaatgevoeligheid wijzen. Een van die vier hebben we destijds op dit blog besproken: Spread in model climate sensitivity traced to atmospheric convective mixing van Sherwood et al uit 2014. De andere drie: Long‐term cloud change imprinted in seasonal cloud variation: More evidence of high climate sensitivity van Zhai et al (2015); Shallowness of tropical low clouds as a predictor of climate models’ response to warming van Brient et al. (2015) en Constraints on Climate Sensitivity from Space-Based Measurements of Low-Cloud Reflection van Brient en Schneider (2016).

De grote gemene deler van deze onderzoeken: ze vinden een versterkende feedback van wolken op de opwarming van het klimaat.

Circulatie in de Atlantische Oceaan

Klimaatwetenschappers hebben de afgelopen jaren al gewezen op signalen voor een vertraging van de circulatie in de Atlantische Oceaan. Dit hangt waarschijnlijk deels samen met natuurlijke variabiliteit, maar klimaatverandering speelt mogelijk ook mee. Sommige wetenschappers vrezen dat de vertraging sneller gaat dan tot dusver werd aangenomen. Oltmanns et al. (de pdf van het volledige artikel is toegankelijk via de link bij The Washington Post) presenteren in Nature Climate Change een mechanisme dat van invloed zou kunnen zijn.

De onderzoekers vinden een correlatie tussen warme zomers waarin veel smeltwater vanaf Groenland de oceaan in stroomt en weersomstandigheden in de daaropvolgende herfst en winter. Het gevolg van dat specifieke weer is dat het relatief warme en zoete smeltwater in de herfst en winter maar langzaam mengt met het koudere en zoutere zeewater. Er zou zo een zichzelf versterkend effect kunnen ontstaan als er aan het begin van een nieuw smeltseizoen nog smeltwater van het vorige seizoen achter is gebleven. De kans daarop neemt toe als het smeltseizoen warmer en langer wordt. Zinkend koud water in dit gebied is een belangrijke drijvende kracht van de oceaancirculatie. Accumulatie van relatief licht smeltwater zou de circulatie af kunnen remmen.

In 2016 vond het NIOZ nog geen aanwijzingen voor een afname van de circulatie. Dat Oltmanns et al. die wel vinden is goed te verklaren. De metingen van het NIOZ werden uitgevoerd in de Irmingerzee, aan de zuidoostkant van Groenland, terwijl Oltmanns ook de Labradorzee meeneemt, aan de zuidwestelijke kant. Het effect treedt vooral daar op.

Grand minimum in zonneactiviteit

Arsenovic et al. onderzoeken het te verwachten effect op het klimaat van een lange periode van lage activiteit van de zon, een zogenaamd grand minimum. Het onderzoek kijkt naar een “zwakke” en “sterke” afname van de intensiteit van het zonlicht. Bij de zwakke afname gaat het om een reductie van 0,26%, bij de sterke afname is die 0,48%. Een sterkere daling is op basis van eerder onderzoek naar zonneminima niet te verwachten. Voor de zwakke en sterke afname worden twee varianten doorgerekend: in de ene variant daalt de activiteit van de zon tot in 2087 het minimum wordt bereikt en neemt hij daarna weer toe; in de andere variant blijft de activiteit na 2087 op bereikte minimum tot aan het eind van de de 22^e eeuw. Als referentiescenario wordt een doorgaande herhaling van zonnecyclus 23 gebruikt. Onder alle scenario’s lagen broeikasgasemissies volgens scenario RCP4.5. De scenario’s worden weergegeven in het bovenste deel van de grafiek onder de volgende alinea.

Het onderste deel van die grafiek laat de (relatief geringe t.o.v. de antropogene klimaatverandering) mondiale temperatuurverlaging zien als gevolg van een zonneminimum. Het spreekt voor zich dat het effect van een tijdelijk zonneminimum op de temperatuur ook tijdelijk is. Een heel diep zonneminimum zou de opwarming aan het eind van deze eeuw met 0,3°C kunnen temperen. Mocht dat hele diepe zonneminimum doorgaan tot het eind van de 22^e eeuw, dan zou het verschil op kunnen lopen tot 0,6°C, ofwel een kwart van de geprojecteerde opwarming (vanaf het gemiddelde over 1986-2005, dus niet vanaf de pre-industriële tijd) volgens scenario RCP4.5. In het scenario waarin de zon in de loop van de 22^e eeuw weer actiever wordt blijft er in 2200 een verschil van maar 0,1°C over.

Scenario’s voor een zonneminimum (boven) en het effect daarvan op de temperatuurontwikkeling bij emissiescenario RCP4.5 (onder). Bron: Arsenovic et al.

We hoeven ons dus voorlopig geen zorgen te maken over een aanstaande global cooling. Die conclusie zal de klimaatwetenschap niet op zijn kop zetten. Wat interessanter is het ruimtelijk patroon van het effect van zo’n zonneminimum. De arctische amplificatie is een oorzaak van ruimtelijke verschillen, maar mogelijk niet de enige. Een andere oorzaak zou kunnen zitten in de stratosfeer. Waarschijnlijk varieert de hoeveelheid UV veel sterker met de zonneactiviteit dan de totale hoeveelheid zonlicht en bovendien beïnvloedt de activiteit van de zon de kosmische straling die binnenkomt in de atmosfeer. In eerste instantie heeft dit vooral effect op de temperatuur en op chemische processen (zoals de vorming en afbraak van ozon) in hogere luchtlagen. Maar veranderingen in de stratosfeer kunnen via ingewikkelde mechanismes weer doorwerken op wat er aan het oppervlak gebeurt. De afbeelding hieronder laat het effect van een sterk zonneminimum zien op jaargemiddelde temperaturen en op wintertemperaturen in het noordpoolgebied.

Verschil in temperatuur aan het eind van deze eeuw tussen het scenario met een sterk zonneminimum en het referentiescenario; jaargemiddelden (boven) en gemiddelden voor de winterperiode in het noordpoolgebied (onder). Bron: Arsenovic et al.

De invloed van zonneactiviteit op atmosferische chemie betekent ook dat een zonneminimum het herstel van de ozonlaag zou kunnen vertragen.

De El Niño van 2016

Mayer et al. ontleden de energiebalans van de El Niño van 2015 en 2016. Die blijkt op een aantal punten af te wijken van eerdere El Niño’s. Het artikel vergelijkt de El Niño van 2015/16 met die van 1997/98, die ongeveer even sterk was maar qua energieboekhouding verder meer leek op andere El Niño’s. De afbeelding hieronder vergelijkt een aantal energiestromen in de tropische Stille Oceaan tijdens de twee episoden.

Energieboekhouding van de El Niño’s van 1997/98 (in blauw) en 2015/16 (in rood). Van links naar rechts: atmosferisch transport (AHT), stralingsbalans aan de top van de atmosfeer (RATTOA), noord- en zuidwaarts transport van warmte in de oceaan (OHT30N en OHT30S), transport vanuit de Indische Oceaan (ITF) en verandering van de warmte-inhoud (OHC) in de bovenste 300 meter en de oceaan onder 300 meter. Bron: Mayer et al.

Ruimtelijk ziet dat er zo uit.

Ruimtelijke weergave van de energieboekhouding van de El Niño’s van 1997/98 en 2015/16. De kleuren geven aan waar de energie-inhoud van de oceaan toe- (rood) en afneemt (blauw). Bron: Mayer et al.

Het is heel bijzonder – ik ben zelfs geneigd te zeggen onlogisch – dat de warmte-inhoud van tropische Stille Oceaan toeneemt tijdens een El Niño. De hoge mondiaal gemiddelde temperatuur wordt immers veroorzaakt door warmte die zich vanuit dit deel van de oceaan in het klimaatsysteem verspreidt. Toch is dit wat er is gebeurd tijdens de El Niño van 2015/16. De belangrijkste oorzaak is volgens Mayer et al. transport van warmte vanuit de Indische Oceaan. In de voorafgaande jaren was de warmte-inhoud van de tropische Indische Oceaan sterk toegenomen. Een deel van die warmte stroomde tijdens de El Niño terug naar de tropische Stille Oceaan. De stralingsbalans aan de top van de atmosfeer is een tweede factor. Door een afname van de lage bewolking kon meer zonlicht het oceaanoppervlak bereiken. Het effect hiervan was groter dan de toename van de uitstraling van warmte door de hoge oppervlaktetemperatuur.

Veel klimaatwatchers zullen hier een volgend geval van “weather weirding” in zien. Niet onbegrijpelijk, want het was een hoogst uitzonderlijke en mogelijk zelfs unieke El Niño. Dat klimaatverandering hier in meespeelde is zeker voorstelbaar. Maar bewezen is het daarmee nog niet.