Твердження “Кліматичні моделі не є надійними
"Кліматичні моделі ненадійні, у будь-якому випадку вони марні для надійних прогнозів або навіть далекосяжних політичних рішень".
Справа в тому, що комп’ютерні моделі тепер можуть добре імітувати кліматичну систему Землі
Дослідження досягли значних успіхів у моделюванні кліматичної системи за останні кілька десятиліть. Незважаючи на деяку нечіткість, завдяки складним моделям та потужним комп’ютерам вже давно можна надійно реконструювати попередні кліматичні події та проектувати майбутні події. Якість моделей можна побачити, наприклад, якщо порівняти попередні прогнози з реальністю, яка спостерігається пізніше.
Кліматичні моделі - надзвичайно складні комп’ютерні програми. Вони використовуються для моделювання розвитку та взаємодії між окремими компонентами кліматичної системи Землі - наприклад, атмосферою та океанами, хмарами, сніговими та крижаними масами або різними геологічними, біологічними та хімічними процесами.
Перші, все ще дуже прості, кліматичні моделі були розроблені в 1960-х роках (див., Наприклад, Manabe/Bryan 1969). Але навіть ці приблизні моделі отримали - за сучасними знаннями - відносно точні результати: Манабе/Ветеральд очікував підвищення температури приблизно на 2 ° C в 1967 році, коли вміст вуглекислого газу в земній атмосфері подвоївся. Насправді люди тим часом збільшили концентрацію СО2 приблизно на 50 відсотків порівняно з доіндустріальним рівнем - і земля прогрілася майже на один градус Цельсія. (Поточні оцінки так званої "кліматичної чутливості" становлять від 1,5 ° C до 4,5 ° C.)
Протягом десятиліть з’являлося все більше і більше витончених моделей. Сьогодні найпоширенішими є, з одного боку, "моделі систем Землі середньої складності" (абревіатура: EMIC), які навмисно спрощуються і за допомогою яких можна моделювати більш тривалі періоди часу (століття або тисячоліття). Крім того, так звані «моделі глобальної циркуляції» (абревіатура: GCM) використовуються для проектування розвитку клімату на найближчі десятиліття, які відтворюють окремі частини кліматичної системи та їх взаємодію якомога точніше. Але незважаючи на всю складність, кліматичні моделі, природно, залишаються спрощеними уявленнями про реальність.
Для застосування кліматичних моделей Земля покрита тривимірною сіткою, потім розраховуються окремі параметри для кожної комірки сітки та обміну з сусідніми клітинами. Завдяки дедалі швидшим високопродуктивним комп'ютерам все більше і більше фізичних процесів можна інтегрувати в кліматичні моделі. Зокрема, процеси в океанах тепер можуть бути представлені в моделях набагато детальніше і природніше.
Для того, щоб зменшити невизначеність результатів, дослідники зазвичай використовують різні моделі або дають змогу запускати одну і ту ж модель у дуже великій кількості. Тому для результатів кліматичних моделей зазвичай публікуються середні значення багатьох розрахунків, а також діапазон отриманих результатів. Щоб підкреслити межі кліматичного моделювання, дослідження говорять не про «прогнози» клімату, а про кліматичні «прогнози», оскільки кожне моделювання ґрунтується на певних припущеннях на майбутнє, наприклад щодо викидів парникових газів. Вони навряд чи передбачувані, і звичайно на них можуть впливати люди та їх поведінка.
Наскільки "хорошими" є сучасні кліматичні моделі?
П'ятий звіт про оцінку МГЕЗК за 2013/14 рр. Детально розглядає це питання на понад ста сторінках (том 1, глава 9). Однозначний висновок: (німецький переклад SPM, с. 13):
"Моделі відображають спостережувані закономірності та тенденції [клімату] протягом багатьох десятиліть поверхневої температури в континентальному масштабі, включаючи посилене потепління з середини 20 століття та похолодання відразу після великих вивержень вулканів".
Насправді є дві причини, що стоять за питанням якості кліматичних моделей:
- Чи можуть кліматичні моделі точно реконструювати минуле?
- І вони можуть виробляти надійні прогнози?
Відповісти на перше запитання порівняно просто, оскільки раніше можна було порівняти результати моделювання з фактично виміряними температурами. На рисунку 1 представлені модельні розрахунки середньої температури землі з середини 19 століття - як із впливом людини, так і без нього. Чітко видно (у верхній частині графіки), що кліматичні моделі можуть відтворювати реальні виміряні температури (чорна зигзагоподібна крива) як взаємодію природних та антропогенних впливів.
Ілюстрація 1: Порівняння між реальним спостережуваним розвитком середньої температури землі (кожна чорна крива, об'єднана з трьох окремих наборів даних) та розрахунками кліматичної моделі. Тонкі оранжеві та синюшні лінії показують результати окремих розрахунків моделі, жирна червона або синя крива - відповідне середнє значення. Угорі (а) моделі враховують природні та людські впливи на клімат, в середині (б) лише природні впливи (наприклад, коливання сонячної активності та виверження вулканів), а внизу (в) показано моделювання розвитку температури з 19 століття що враховують лише техногенні викиди парникових газів. Реальні виміряні значення та результати моделі на графіку (а) чітко відповідають найкращим; та графік (с) показує, що глобальне потепління за останні кілька десятиліть було б вищим (червоні лінії), ніж було в реальному вираженні (чорна лінія), без впливу природних кліматичних впливів, так що природні впливи дещо пом'якшили техногенне потепління. Джерело: IPCC 2013, AR5, WG1, глава 10, рисунок 10.01 (уривок)
П'ятий звіт про оцінку МГЕЗК містить графіку, на якій відповідність між комп'ютерними моделями та реальними спостереженнями відображається окремо для окремих континентів, а також для температур повітря, вмісту тепла в океанах та протяжності морського льоду (рис.
Малюнок 2: Порівняння спостережуваних та змодельованих кліматичних змін на основі трьох масштабних показників в атмосфері, кріосфері та океані: зміни температури континентальної поверхні суші (коробки виділені жовтим кольором), масштаби арктичного та антарктичного морського льоду у вересні (білі ящики з чорною рамкою) та Теплоємність верхнього шару океану у великих океанічних басейнах (білі ящики з блакитними рамками). Також показані середні глобальні зміни (три графіки в нижньому рядку). Усі часові ряди є середніми за десять років, які відзначаються в середині десятиліття. Чорна лінія показує фактично спостережувані температури, червоні штриховані ділянки - результати тих кліматичних моделей, які враховують природні та людські фактори - відповідність очевидна. Джерело: IPCC 2013, WG1, малюнок SPM.6
Те саме стосується більш тривалих періодів часу та згаданих кліматичних моделей EMIC, як показано, наприклад, у дослідженні, яке порівнювало дані про температуру та результати моделі з 850 (Eby et al. 2013). Більш пізні дослідження, які порівнювали дані спостережень за потеплінням Світового океану з результатами модельних розрахунків, підтвердили велику згоду (Cheng et al. 2016, Gleckler et al. 2016). Навіть тимчасове уповільнення потепління після 1998 року (яке іноді неправильно називають "паузою зігрівання") не змінює фундаментальної надійності сучасних кліматичних моделей - оскільки окремі запуски моделей також призводять до фаз із швидшим або повільнішим потеплінням.
Чи можуть комп’ютерні моделі передбачити майбутній клімат?
Іноді від критиків досліджень клімату доводиться, що вчені навіть не можуть передбачити погоду на найближчі кілька тижнів - як це має спрацювати на клімат через кілька десятиліть? Це (риторичне) питання базується на відсутності різниці між погодою та кліматом: перше насправді є непередбачуваним і важким для прогнозування протягом тривалих періодів часу, тоді як друге - це довгострокове середнє значення погоди. Це правда, що ви навряд чи можете передбачити погоду більше ніж за два тижні наперед - але взимку, наприклад, ви можете з дуже високим ступенем впевненості передбачити, що через півроку буде тепліше.
Але, звичайно, кліматичні прогнози створюють ряд труднощів. Наприклад, майбутню діяльність Сонця важко передбачити, а короткочасні впливи, такі як виверження вулканів, важко передбачити. Однак способи дії найважливіших факторів, що впливають на клімат, відомі давно. Наприкінці 1980-х американський кліматолог Джеймс Хансен опублікував оцінки розвитку температур у майбутньому (Hansen et al. 1988). Ці ранні розрахунки вже показують - див. Малюнок 3 - досить добру згоду з подальшими спостереженнями (Hansen et al. 2006). І відтоді, як я вже говорив, кліматичні моделі значно покращились.
Малюнок 3: Порівняння моделювання глобальних змін температури та подальших фактичних спостережень - зелений, синій та фіолетовий показують глобальну температуру поверхні для різних сценаріїв викидів парникових газів у людини, червоний та чорний - два різні аналізи фактичних даних спостережень; Джерело: Hansen 2006
Найближчу кореляцію з пізнішими реальними виміряними температурами демонструє сценарій Б. Хансена. Він колись вважав це найбільш вірогідним варіантом, але пізніше він насправді показав найбільшу відповідність викидам СО2, досягнутим насправді. Є відхилення від року до року, але це можна очікувати. Непередбачувана природа погоди може ускладнити визначення впливу людини, але загальна тенденція передбачувана.
З виверженням філіппінського вулкана Пінатубо в 1991 році з’явилася можливість з’ясувати, наскільки точними є прогнози моделей щодо впливу сульфатних аерозолів на клімат. Результат: Моделі досить точно передбачили тимчасове глобальне охолодження приблизно 0,5 ° C, яке незабаром послідувало за виверженням (див. Рисунок 4). Навіть більше: ефекти зворотного зв'язку сонячного випромінювання та водяної пари, наприклад, які потрапляли в моделі, також були підтверджені кількісно (Hansen 2007).
Малюнок 4: Фактично спостерігаються та моделюються глобальні коливання температури після виверження Пінатубо - температура, яку спостерігають метеостанції, позначена зеленим кольором, а температура суші та моря синім кольором. Середній результат моделювання показаний червоним кольором - падіння глобальної температури приблизно на 0,5 градуса Цельсія через рік після виверження є досить точним, як і подальше поступове збільшення (зигзаг короткочасних коливань є нормальним); Джерело: Hansen 2007
Протягом багатьох років дослідникам вдалося ідентифікувати, ізолювати та відтворити за допомогою кліматичних моделей вплив природних факторів на кліматичну систему (таких як вулканічна активність або океанічне явище Ель-Ніньо) (Fyfe et al. 2010).
Наскільки "хорошими" є кліматичні моделі зараз, наочно показує Інтернет-блог RealClimate, який ведеться активними дослідниками клімату: результати модельних розрахунків з минулого постійно показують температури, які пізніше вимірюються в реальності - результат ви можете побачити тут погляд: Криві реального потепління рухаються майже точно в межах коливань, які моделі розрахували заздалегідь.
Незмінні прогнози клімату
Одне із тверджень, яке іноді висловлювалось, полягає в тому, що кліматичні моделі перебільшують ефекти накопичення СО2 в атмосфері. В принципі, невпевненість може проявлятися як у перебільшенні, так і в заниженні. Але це правда, що моделі кліматичної системи Землі мають більшу невизначеність вгору, ніж вниз. За це не відповідають будь-які наміри дослідників клімату, які програмують ці моделі - швидше, як пояснюють в есе американські фізики атмосфери Ро і Бейкер, це "неминучий наслідок" основних характеристик кліматичної системи (Roe/Baker 2007): Тому що Точний ступінь підвищення температури при фіксованому збільшенні парникових газів дуже сильно залежить від різних процесів зворотного зв'язку, і загальний ефект яких є посилюючим, є більші невизначеності з верхньою межею очікуваних температур, ніж з нижньою межею.
Були і є насправді модельні результати, в яких кліматичні зміни були завищені - але також ціла низка виявилася занадто консервативною в ретроспективі, а це означає, що реальність їх навіть наздогнала. Наприклад, Rahmstorf et al. 2012 рік показав, що рівень моря з 1990-х років піднявся більш різко, ніж колись прогнозувалося у звітах про оцінку МГЕЗК на основі модельних розрахунків (рис. 5). За даними супутникових вимірювань, середнє збільшення між 1993 і 2010 роками становило 3,2 мм на рік, тоді як, наприклад, Третій звіт про оцінку МГЕЗК за 2001 рік передбачав щорічне збільшення приблизно на 2 мм.
Малюнок 5: Зміни рівня моря та вимірювання рівня припливів відображаються помаранчевим кольором, супутникові дані доступні лише з початку 1990-х - червоним кольором. Синя область показує прогнози третього звіту МГЕЗК за 2001 рік (із синьою лінією як середнім значенням), зелені лінії показують верхню та нижню межі та середні значення з четвертого звіту про оцінку МГЕЗК. Реальний розвиток був у верхньому краї або вище попередніх модельних проекцій; Джерело: Rahmstorf et al. 2012 рік
Танення арктичного морського льоду протягом літніх місяців також було набагато сильнішим і швидшим, ніж передбачалося в кліматичних моделях (рис. 6).
Малюнок 6: Зміна розміру арктичного морського льоду, кожен за вересень кожного року, у мільйонах квадратних кілометрів - жирна червона лінія показує реальний розвиток з середини 20 століття, дрібні кольорові лінії показують результати 13 різних моделей з Четвертого МГЕЗК - Звіт про стан, жирна чорна лінія означає його середнє значення; Джерело: IPCC/NSDC/Nasa/AWI
На яку точність можна розраховувати?
Іноді кажуть, що людству слід почекати, щоб вжити заходів щодо охорони клімату, поки результати кліматичних моделей не будуть повністю визначеними. Але навіть при досконалих моделях невизначеність залишатиметься через принципово хаотичний характер кліматичної системи. Моделювати всі тонкощі клімату по-людськи неможливо - але моделі вже настільки далекі, що можуть надійно імітувати довгострокові кліматичні тенденції.
Тож той, хто хотів дочекатися абсолютної впевненості у відповіді на всі питання кліматичної науки, ніколи не міг нічого зробити. Зазвичай, однак, люди вже діють з певною ймовірністю: той, хто з 95-відсотковою впевненістю знає, що дорожня аварія трапиться в небезпечних місцях із надмірною швидкістю (згідно з МГЕЗК, настільки ж точно, що люди є головною причиною глобального потепління), нападе там дотримуйтесь обмеження швидкості. Між іншим, у політиці все рівно незвично приймати рішення на основі невизначених фактів: наприклад, під час бюджетних переговорів політики покладаються на податкові оцінки, що є далеко не 95 відсотково надійними.