Czy czułość klimatu jest niższa, niż twierdzi IPCC?

Brytyjska organizacja sceptyków klimatycznych GWPF (Global Warming Policy Foundation – Fundacja Polityki Globalnego Ocieplenia) opublikowała raport, sygnowany przez Nicholasa Lewisa i Marcela Croka. Autorzy twierdzą, że „IPCC ukryło dobre wiadomości” dotyczące czułości klimatu (czyli spodziewanego wzrostu temperatury w odpowiedzi na podwojenie stężenia CO2 w atmosferze).

Na wstępie warto podkreślić, że określenie „czułość klimatu” w różnym kontekście może mieć różne znaczenie. Dlatego trzeba go używać bardzo świadomie. Zazwyczaj przez „czułość klimatu” rozumie się „równowagową czułość klimatu” (Equilibrium Climate Sensitivity – ECS), czyli zmianę średniej temperatury powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie koncentracji CO2 – już po tym, jak bilans radiacyjny planety powróci do stanu równowagi, co może trwać wiele stuleci.

Raport

Rysunek 1. Okładka raportu Global Warming Policy Foundation.

Istnieje również „przejściowa czułość klimatu” (Transient Climate Response – TCR), czyli odpowiedź temperatury niejako „na bieżąco”, w krótkim czasie po zadziałaniu wymuszenia – w skali lat i dekad. Zgodnie ze standardem przyjętym przez IPCC, jest to średnia odpowiedź temperatury w okresie 20 lat, gdzie podwojenie stężenia CO2 wypada w połowie tego okresu, przy emisjach rosnących w tempie 1% rocznie. TCR jest niższa od ECS m.in. ze względu na bezwładność cieplną oceanów.

Mamy też „czułość systemu ziemskiego” (Earth System Sensitivity – ESS), definiowaną jako docelowy wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi po tym, jak zadziałają powolne sprzężenia zwrotne, takie jak zmiany powierzchni lądolodów Antarktydy i Grenlandii lub przesuwanie się strefy tajgi na północ (roślinność jest ciemniejsza od gleby, co powoduje wzrost ilości absorbowanej energii). Działanie tych sprzężeń zwrotnych powoduje, że ESS jest większe od ECS – być może nawet dwukrotnie – ale ponieważ powolne sprzężenia zwrotne działają w skali tysiącleci, w prognozach zmiany klimatu do 2100 lub 2300 roku są często ignorowane.

Wiedząc już, o czym mowa, możemy przyjrzeć się raportowi GWPF i jego kontrowersyjnym zapisom na temat czułości klimatu.

Zacznijmy od autorów raportu. Lewis to emerytowany finansista i naukowiec-amator, który opublikował kilka prac szacujących czułość klimatu, zaś Crok to zajmujący się nauką dziennikarz-freelancer. GWPF, z myślą o podniesieniu wiarygodności raportu, o wstęp poprosiło znaną z kontrowersyjnych wypowiedzi klimatolożkę Judith Curry. Nie publikowała ona jednak prac dotyczących czułości klimatu; kiedyś stwierdziła nawet, że równowagowa czułość klimatu globalnego może leżeć gdziekolwiek pomiędzy 0 i 10°C. Jest to niezgodne z wynikami badań, a także z zapisami samego raportu GWPF.

Raport jest właściwie komentarzem i nie zawiera nowych informacji. Lewis i Crok próbują uzasadnić stwierdzenie, że czułość klimatu znajduje się w dolnym zakresie oszacowań IPCC (czyli wynosi raczej 1,5 niż 4,5°C). Pod byle pretekstem negują wyniki różnorodnych badań wskazujących na wysoką czułość klimatu. Jednocześnie ignorują słabe strony badań opowiadających się za niższą czułością klimatu. Raport stanowi bardzo wybiórczy i tendencyjny przegląd literatury przedmiotu. Nie uwzględnia np. ostatnich prac Gavina Schmidta i Drew Shindella z NASA GISS, całkowicie zaprzeczających jego konkluzjom.

Jest kilka głównych metod szacowania czułości klimatu Ziemi. Lewis i Crok skupiają się na trzech i uzasadniają, dlaczego niektóre uznają za dobre (to te, które dają niską czułość klimatu), a niektóre odrzucają (to te, które dają średnią lub wysoką czułość klimatu). Przyjrzymy się wszystkim przypadkom, włączając w to badania pominięte w raporcie GWPF oraz pokazując, że jego wnioski nie znajdują potwierdzenia w dostępnych badaniach naukowych. Jak podsumował Steven Sherwood:

Ten raport to klasyczne ‘wydłubywanie wisienek z tortu informacji’. Nie przedstawia żadnych nowych dowodów nieuwzględnionych już przez IPCC, opiera się na kilku wątkach sugerujących niską czułość klimatu, pomijając jednocześnie całość dowodów wskazujących na jego wysoką czułość. Raport mocno bazuje na analizie Foster i Gregory (2006), pracy ciekawej, ale o metodyce uznanej za nieskuteczną. Zarówno Foster, jak i Gregory byli wiodącymi autorami raportu IPCC i bez wątpienia pamiętali o swoim opracowaniu. Mimo tego raport przeglądowy IPCC nie potwierdza niskiej czułości klimatu.

Warto zauważyć, że raport GWPF zgadza się z opinią środowiska naukowego, że to człowiek powoduje obecną zmianę klimatu. Lewis i Crok przyznają, że globalne ocieplenie będzie trwać dopóty, dopóki ludzkość będzie wzmacniać efekt cieplarniany – jednak w skali odpowiadającej dolnym zakresom oszacowań IPCC. Jak zauważył klimatolog Ed Hawkins z University of Reading:

Autorzy raportu GWPF zgadzają się z większością klimatologów, że należy oczekiwać znaczącego ocieplenia, a to dla tej organizacji niezwykłe (…) Na szczęście GWPF przyjęło wreszcie do wiadomości, że w scenariuszu biznes-jak-zwykle możemy spodziewać się dalszych zmian klimatu. Czas skierować debatę na nowe tory i porozmawiać o działaniach zaradczych.

Badania paleoklimatyczne

Badania paleoklimatyczne pozwalają oszacować czułość klimatu w oparciu o zmiany wymuszeń i odpowiedź temperatury w dawnych okresach geologicznych. Najbardziej kompleksowa analiza, przeprowadzona przez zespół PALEOSENS i opublikowana w czasopiśmie Nature w 2012 roku (PALEOSENS 2012), objęła kilkanaście szacunków czułości klimatu w różnych okresach ostatnich kilkudziesięciu milionów lat.

Wg PALEOSENS równowagowa czułość klimatu z 68-procentowym prawdopodobieństwem leży pomiędzy 2,2 i 4,8°C. Wartości te są zasadniczo zgodnie z oszacowaniami IPCC i niezgodnie z niskimi wartościami w raporcie GWPF. Zakres 95% prawdopodobieństwa odpowiada czułości 1-7°C, nie można więc wykluczyć ani bardzo małej, ani bardzo dużej czułości klimatu, jednak skrajne wartości są bardzo mało prawdopodobne.

Wartości czułości klimatu

Rysunek 2. Wartości czułości klimatu wraz z zakresem niepewności, określone na podstawie badań paleoklimatycznych (PALEOSENS 2012).

Raport GWPF nie poświęca wiele miejsca badaniom czułości klimatu na podstawie oszacowań paleoklimatycznych. Stwierdza po prostu, że wyniki tych prac nie zawężają istotnie możliwej czułości klimatu, a dawne stany klimatu różnią się od obecnego i przyszłych, a więc „oszacowaniom paleoklimatycznym można przypisać niewielką wagę”. O ile badaniom paleoklimatu rzeczywiście towarzyszy wiele niejasności, zupełnie odrzucenie ich wyników jest nieuzasadnione.

Podsumowując: badania paleoklimatyczne wskazują na czułość klimatu w zakresie 2-4,5°C, a GWPF nie uzasadnia przekonywująco, dlaczego tych badań nie uwzględnia.

Modele Klimatu

Kolejnym sposobem określenia czułości klimatu są symulacje przy pomocy modeli ogólnej cyrkulacji (General Circulation Models - GCM). Rządzące zachowaniem klimatu prawa fizyczne koduje się w postaci bardzo szczegółowego modelu komputerowego, z pomocą którego możemy następnie oszacować, jak zmieni się temperatura powierzchni Ziemi w odpowiedzi na różne czynniki wymuszające. Pozwala to na stworzenie prognoz przyszłego globalnego ocieplenia w różnych scenariuszach, a także oszacowanie czułości klimatu. Większość modeli GCM pokazuje czułość klimatu na poziomie 2-4,5°C (średnia z symulacji przy pomocy wielu modeli, wykorzystanych w Piątym Raporcie IPCC, wynosi 3,2°C). Zakres ten jest zgodny z oszacowaniami uzyskanymi za pomocą badań paleoklimatu.

Lewis i Crok argumentują:

Pomiędzy publikacją Czwartego a Piątego Raportu IPCC zmniejszyły się oszacowania chłodzącego efektu aerozoli. To automatycznie implikuje znacząco niższe szacunki czułości klimatu. Jednak komputerowe modele klimatu nie odzwierciedlają tych nowych wartości dla aerozoli. To jeden z powodów, dla których w typowym modelu klimatu czułość klimatu jest istotnie wyższa, niż należałoby oczekiwać na podstawie obserwacji: przy niższej czułości klimatu, model nie byłby w stanie odtworzyć ocieplenia ostatnich stu lat - właśnie z uwagi na nadmierne chłodzenie przez aerozole.

Jednak, jak komentuje specjalizujący się w modelowaniu klimatu Gavin Schmidt z NASA GISS, wniosek ten jest nieprawidłowy:

Autorzy kierują się pokrętną logiką. Czułość modelu klimatu na podwojenie stężenia atmosferycznego CO2 jest wewnętrzną cechą modelu i nie ma nic wspólnego z wymuszeniami przez aerozole. W wiązce modeli CMIP5 nie ma korelacji pomiędzy wymuszaniem przez aerozole i czułością. Nie jest więc prawdą, że w takich obliczeniach wymuszanie przez aerozole wpływa na czułość klimatu. (...) Rozrzut wartości czułości klimatu w modelach jest zupełnie niezależny od tego, jak te modele odtwarzają zmiany historyczne.

Także klimatolog Kevin Trenberth zauważa, że zmiana oszacowań wymuszania przez aerozole jest głównie związana z pośrednim wpływem aerozoli, a połowa modeli GCM w ogóle nie uwzględnia efektów pośrednich. Są to akurat te modele, które wykazują małą czułość klimatu.

Z kolei artykuł Schmidt i in. (2014) dowodzi, że przy uwzględnieniu najnowszych oszacowań wymuszeń przez aerozole, słońce i gazy cieplarniane oraz wpływu oscylacji ENSO (El Niño-La Niña) i błędów systematycznych przy pomiarze temperatury, znacząco maleje rozbieżność pomiędzy odtworzeniem historycznego ocieplenia za pomocą modeli GCM a wynikami obserwacji.

Wykres - animacja

Rysunek 3. Linia czerwona: Obserwowane zmiany średniej temperatury powierzchni Ziemi. Wersja #1 „Met Office temperature record” pokazuje serię HadCRUT4, a wersja #2 „Global temperature record” najnowszą serię Cowtan i Way. Linia niebieska: Zmiana średniej temperatury powierzchni odtworzona przez modele GCM wraz z zakresem niepewności. Wersja #1 „Climate models” pokazuje średnią prognoz modeli, bez uwzględnienia zmienności czynników wymuszających (ENSO, aktywność słoneczna, wulkany). Wersja #2 „+El Niño” i wersja #3 „+solar/volcanoes” pokazują rezultaty symulacji GCM, uwzględniających rzeczywiste zmiany tych czynników. Na podst. Schmidt i in. (2014), Kevin Cowtan.

Podsumowując, modele GCM również wskazują na czułość klimatu w zakresie 2-4,5°C, a GWPF nie uzasadnia przekonywująco, dlaczego te modele pominął.

Oszacowania ‘Instrumentalne’

Metoda szacowania czułości klimatu preferowana w raporcie GWPF (jak również w innych pracach Lewisa) opiera się o instrumentalne pomiary temperatury (w tym zmiany energii termicznej oceanów), rezultaty prostszych modeli klimatu i statystykę. Niektórzy badacze, posługujący się tą metodą gdzieś od roku 2012, uzyskali niskie wartości czułości klimatu. W swoim raporcie GWPF przytacza prace Ring i in. (2012), Aldrin i in. (2012), Lewis (2013) oraz Otto i in. (2013), gdzie równowagową czułość klimatu szacuje się na 1,76-2,00°C.

I w tym zakresie raport GWPF jest nierzetelny. Odnosi się np. jedynie do wstępnych rezultatów pracy Aldrin i in. (2012). W rzeczywistości czułość klimatu szacuje się tam na około 2,5 lub 3,3°C – po uwzględnieniu chmur i wpływu, jaki mają na nie aerozole. Jak pisze Aldrin z zespołem:

Do wyników naszej pierwotnej analizy trzeba podchodzić z należytą ostrożnością. W dalszych badaniach należy też uwzględnić niepewność związaną z wpływem czasu życia chmur [red.: jeden z pośrednich efektów aerozolowych].

Raport GWPF nie interpretuje tych wyników z ‘należytą ostrożnością’. Jego autorzy wykorzystują odpowiadający im rezultat, a pomijają niepewności odnośnie zachowania chmur.

Zastrzeżenia budzi również metodyka pracy Lewis (2013). Zastosowana do danych pomiarowych do roku 1995 roku daje czułość klimatu rzędu 2,0-3,6°C. Jednak uwzględnienie danych dla kolejnych 6 lat obniża oszacowanie o ponad 1/3 – do poziomu 1,2-2,2°C. Tymczasem czułość klimatu jest wartością praktycznie stałą – jeśli dodanie danych pomiarowych z okresu 6 lat tak drastycznie zmienia wynik, wątpliwa jest wiarygodność zastosowanej metodyki.

‘Instrumentalna’ metoda szacowania równowagowej czułości klimatu ma pewną słabość – opiera się na danych pomiarowych „przejściowych”, uzyskanych w okresie dynamicznych zmian klimatu. Obecnie mamy stan nierównowagi bilansu radiacyjnego planety. By ustalił się nowy stan równowagowy, od ustania wymuszenia musi minąć ponad stulecie. Oszacowanie równowagowej czułości klimatu na podstawie danych z okresu szybkich zmian, wywołanych nierównowagą, wymaga przyjęcia daleko idących założeń – takich na przykład, jak niezmienność sprzężeń w systemie klimatycznym. Jednak szereg najnowszych prac tą niezmienność kwestionuje.

Np. w pracy Armour i in., (2013) czytamy:

Sprzężenia w systemie globalnym zmieniają się w sposób naturalny: w miarę jak zmienia się rozkład temperatur powierzchni Ziemi, uruchamiają się różnorodne regionalne sprzężenia zwrotne. Utrudnia nam to zawężenie rozrzutu prognoz zmiany klimatu na podstawie informacji instrumentalnych o przeszłym i obecnym stanie klimatu.

Rose i in. (2014) stwierdzają:

Wyniki pokazują, że tempo ocieplenia globu i jego poszczególnych regionów silnie zależy od lokalnych procesów, które decydują, gdzie i w jakim tempie oceany pochłaniają nadwyżki energii. Równowagowej czułości klimatu nie da się wiarygodnie oszacować na podstawie obserwacji klimatu w okresie dynamicznych zmian.

Jak napisali w swojej pracy Olson i in. (2013):

[Posłużenie się] jednym przypadkiem zachowania systemu klimatycznego może skutkować znaczącą rozbieżnością pomiędzy najlepszym  oszacowaniem [czułości klimatu] a rzeczywistością. (…) Wyniki sugerują, że ostatnie oszacowania czułości klimatu jedynie na podstawie obserwacji i modeli o umiarkowanej złożoności są niejednokrotnie zaniżone lub zawyżone względem rzeczywistości.

Trenberth i Fasullo (2013) zauważają też, że:

Oszacowania czułości klimatu są bardzo wrażliwe na zmienność [energii termicznej oceanu], szczególnie, gdy danych pomiarowych użyć do określenia granic zakresu równowagowej czułości klimatu [Otto i in. 2013]. Dla przykładu, szacowanie zmian zawartości ciepła oceanów w pierwszej dekadzie XXI w. w oparciu o system ORAS4, zamiast tego wykorzystanego przez Otto (…) skutkuje wzrostem czułości klimatu z 2,0 do 2,5°C. Nie da się wiarygodnie oszacować czułości klimatu w oparciu o krótkie okresy pomiarów, wobec niedokładnie poznanych wymuszeń ziemskiego systemu klimatycznego, na dodatek wytrąconego z równowagi. (wyróżn. red.)

Raport GWPF nie wspomina żadnego z tych artykułów ani wyrażonych w nich wątpliwości, dotyczących „instrumentalnych” oszacowań czułości klimatu. Co więcej, wg Lewisa i Croka podejście „instrumentalne” stanowi jedyną wiarygodną metodę szacowania czułości klimatu, a wszystkie inne metody, które dają wyższe oszacowania (np. paleoklimatyczne i GCM) są błędne.

Rozbieżności w ocenach czułości klimatu uzyskiwanych różnymi metodami w pewnym stopniu wyjaśnia opublikowana niedawno praca Shindell (2014) – jednak nie po myśli autorów raportu GWPF. Shindell zauważa, że podejście „instrumentalne” zakłada jednakową odpowiedź średniej temperatury globalnej na wszystkie czynniki wymuszające. Weryfikuje to założenie, porównując za pomocą modelu GCM zmiany temperatury w odpowiedzi na zmiany stężenia gazów cieplarnianych i w odpowiedzi na zmiany stężeń aerozoli i ozonu.

W efekcie Shindell, który był też współautorem pracy Otto i in. (2013), zauważa, że:

Wymuszanie na półkuli północnej powyżej 30° szerokości geograficznej wywołuje silniejszą odpowiedź temperatury niż [takie samo] wymuszanie w tropikach.

Już wcześniej prawidłowość tę opisali Hansen i in. (1997):

Wymuszanie na wysokich szerokościach geograficznych wywołuje większą odpowiedź niż wymuszanie w niskich szerokościach. Przyczyną jest sprzężenie zwrotne lodu morskiego oraz bardziej stabilna w wyższych szerokościach troposfera.

Wymuszanie przez aerozole i ozon nie jest globalnie jednorodne. Koncentruje się w strefie pozatropikalnej półkuli północnej i ma silniejszy wpływ na temperaturę niż ekwiwalentne [wyrażone tą samą liczbą W/m2] wymuszanie przez gazy cieplarniane, które są dobrze wymieszane w atmosferze.

Nie powinniśmy jednak wyciągać wniosku, że aerozole i ozon rozwiążą nam problem ocieplenia klimatu. Shindell pokazuje że ich efekt chłodzący ma znaczenie jedynie na krótką metę. Przedstawia to rysunek poniżej, na którym porównano prognozę wzrostu temperatury nie uwzględniającą nierównomiernego przestrzennie wymuszania przez aerozole i ozon (czerwona linia przerywana) z prognozą biorącą ten efekt pod uwagę (zielona linia ciągła). Do połowy stulecia różnica stanie się mało istotna.

Prognozowana odpowiedź temperatury na jednorodny wzrost wymuszania radiacyjnego

Rysunek 4. Prognozowana odpowiedź temperatury na jednorodny wzrost wymuszania radiacyjnego (linia czerwona) i sytuację, w której chłodzące wymuszanie aerozoli i ozonu skoncentrowane jest w strefie pozatropikalnej półkuli północnej (zielona linia ciągła).

Co to ma wspólnego z szacunkami czułości klimatu? Oznacza to, że analizy bazujące na obserwowanym wzroście temperatury zaniżają rzeczywistą czułość klimatu.

Przyjmując taką samą czułość na różne wymuszenia, Shindell oszacował przejściową odpowiedź klimatu TCR (czyli zmianę temperatury w krótkim czasie po zadziałaniu wymuszenia) na 1,0-2,1°C, z najbardziej prawdopodobną wartością 1,4°C, co bardzo dobrze odpowiada szacunkom Lewisa przedstawionym w raporcie GWPF (1-2°C, najprawdopodobniej 1,35°C) i oszacowaniom Otto i in. (2013). Jednak, kiedy Shindell uwzględnił wyższą czułość na wymuszanie przez aerozole i ozon, zakres TCR wzrósł do 1,3-3,2°C, z najbardziej prawdopodobną wartością 1,7°C. W porównaniu z szacunkami IPCC (TCR w zakresie 1-2,5°C), czy szeregu modeli klimatu (1,1-2,6°C), u Shindella mniej prawdopodobne są wartości z dolnego zakresu, a bardziej – te z górnego: odwrotnie, niż w raporcie GWPF. Istnieje silna korelacja między przejściową odpowiedzią klimatu a równowagową czułością klimatu. Stąd też, w oparciu o wyniki Shindella można wnosić, że szacunki wskazujące na niższą czułość klimatu nie są prawidłowe.

Uwzględnienie chmur i obserwacji pary wodnej

Autorzy raportu GWPF zauważają, że zmiany w pokrywie chmur w ocieplającym się świecie stanowią klucz do wyznaczenia czułości klimatu. Kwitują to jednak tylko jednym zdaniem: „Dowody obserwacyjne na dodatnie sprzężenie zwrotne chmur są, co najwyżej, słabe.” Tymczasem powstał szereg badań porównujących obserwowane zmiany w pokrywie chmur z wynikami symulacji modeli klimatu. Na przykład Fasullo i Trenberth (2012) wykorzystali dane satelitarne NASA AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) i CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System), aby zbadać zależność pomiędzy sezonowymi zmianami wilgotności względnej w suchych obszarach subtropikalnych a albedo Ziemi w efekcie zmian w pokrywie chmur. Wg autorów:

(…) rezultaty wskazują, że modele charakteryzujące się wysoką czułością spisują się dobrze, podczas gdy modele o mniejszej czułości nie odtwarzają poprawnie istotnych aspektów obecnego klimatu. Poprawne odtwarzanie pionowej struktury wilgotności względnej i chmur jest niezbędnym warunkiem budowy poprawnych prognoz przyszłego klimatu.

Sherwood i in. (2014) (wersja pełna) poprowadzili ten wątek dalej, analizując, jak różne modele klimatu radzą sobie ze sprzężeniem zwrotnym chmur. Okazało się, że wyniki symulacji przy pomocy modeli GCM z niską czułością były niezgodne z obserwacjami. Nieprawidłowo odtwarzały transport pary wodnej w atmosferze, przeszacowując grubość pokrywy chmur chłodzących powierzchnię Ziemi. Z drugiej strony te modele klimatu, które lepiej odwzorowują obserwowane w naturze procesy płytkiego mieszania, charakteryzują się jednocześnie wyższą czułością klimatu (więcej na ten temat w artykule Chmury, klimat i przyśpieszony wzrost temperatur).

Prace te zostały w raporcie GWPF pominięte, stanowią jednak kolejny ważny argument za wysoką czułością klimatu.

Tak czy inaczej działania są niewystarczające

Raport GWPF kończy się stwierdzeniem, że IPCC nie przykłada wystarczającej wagi do analiz wskazujących na niższe wartości czułości klimatu, a tym samym nieadekwatnie informuje decydentów o stanie wiedzy o klimacie. Jednak nawet przy założeniu niskiej czułości klimatu, działania zmierzające do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych są dalece niewystarczające. Myles Allen, współautor pracy Otto i in. (2013), tak komentuje raport GWPF:

Nawet jeśli ich prognoza 1,35°C [TCR] jest poprawna, jest zaledwie o 25% niższa, niż średnia z modeli ogólnej cyrkulacji z Piątego Raportu IPCC. Spadek TCR o 25% oznacza, że ocieplenie prognozowane na rok 2050 może nastąpić we wczesnych latach 60. XXI wieku.

Autorzy raportu GWPF odrzucają lub pomijają badania nie wspierające preferowanego przez nich stanowiska, ignorują też słabości badań opowiadających się za niską czułością klimatu. Jednak, jak wykazaliśmy powyżej, ogromny materiał dowodowy wskazuje na relatywnie wysoką czułość klimatu. Sztuka zarządzania ryzykiem wymaga, byśmy podjęli działania na rzecz złagodzenia zmian klimatu.

Marcin Popkiewicz na podst. Skeptical Science, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2014-05-07 17:48
Tagi

IPCC prognozy klimatu czułość klimatu

Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.