Koldioxid och klimat: perspektiv på en vetenskaplig bedömning

Transkript

1 Koldioxid och klimat: perspektiv på en vetenskaplig bedömning Sandrine Bony, Bjorn Stevens, Isaac Held, John Mitchell, Jean-Louise Dufresne, Kerry Emanuel, Pierre Friedlingstein, Stephen Griffies & Catherine Senior

2 2

3 3 Koldioxid och klimat: perspektiv på en vetenskaplig bedömning Sandrine Bony, Bjorn Stevens, Isaac Held, John Mitchell, Jean-Louise Dufresne, Kerry Emanuel, Pierre Friedlingstein, Stephen Griffies & Catherine Senior Förord av Ann-Sofie Hermansson & Anders Nilsson Tankeverksamheten inom Arbetarrörelsen i Göteborg

4 4 Författarna Sandrine Bony, Laboratorie de Météorologie Dynamique/IPSL, CNRS, Paris, Frankrike Bjorn Stevens, Max-Planck Intistute, Hamburg, Tyskland Isaac Held, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, NJ, Förenta staterna John Mitchell, MetOffice/Hadley Center, Exeter, Storbritannien Jean-Louis Dufresne, Laboratorie de Météorologie Dynamique/IPSL, CNRS, Paris, Frankrike Kerry Emanuel, Massachusetts Institute for Technology, Cambridge, MA, Förenta staterna Pierre Friedlingstein, University of Exeter, Exeter, Storbritannien Stephen Griffies, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, NJ, Förenta staterna Catherine Senior, MetOffice/Hadley Center, Exeter, Storbritannien Översättning från engelska med tillstånd av författarna och WCRP av Anders Nilsson Författarna Författarna svarar själva för framlagda uppfattningar och slutsatser i Tankeverksamhetens skrifter. Ansvarig utgivare: Ann-Sofie Hermansson redaktion@tankeverksamheten.se ISBN Göteborg 2013

5 5 Ann-Sofie Hermannson & Anders Nilsson Förord Av allt att döma står vi inför stora och oundvikliga behov av omställning. Det handlar om produktion och användning av energi, livsmedelsproduktion, kretslopp, stadsbyggnad och inte minst om transporter av både gods och passagerare. Den huvudsakliga anledningen är att mycket stora och folkrika utvecklingsländer kliver över tröskeln in i moderniteten: Kina, Indien, Brasilien, även delar av Afrika. Om inte samhällslivet organiseras på annat sätt än hittills kommer inte ändliga energi- och råvarukällor att räcka till och miljöpåverkan av olika slag får sannolikt mycket skadliga följder. När det gäller miljöeffekter har särskilt den antropogena, dvs. av människan orsakade, uppvärmningen av atmosfären hamnat i fokus för uppmärksamheten. Under 1900-talets tre sista decennier steg den globala årsmedeltemperaturen med en halv grad Celsius. Men därefter har, som diagram 1 på nästa sida visar, temperaturökningen planat ut på en ny högre nivå. Diagrammet kommer från Hadley Center och Climate Research Unit (CRU) vid East Anglia University i Storbritannien, som har uppdraget från FN:s klimatkommission IPCC att löpande beräkna den globala årsmedeltemperaturens förändringar. 1 Det är dessa beräkningar som ligger till grund för IPCC:s rapporter. Att temperaturökningen planat ut i 15 år, sedan år 1998, är ett problem för forskarna. 2 Under 1900-talets tre sista decennier när jorden blev varmare samvarierade det med den ökade mängden koldioxid i atmosfären. Men sambandet håller inte för tiden därefter, vilket fram- 1 Data och diagram finns på CRU:s websida: 2 Av de i diagrammen ritade trenderna ser det ut som trendbrottet kommer först några år senare, men det beror på att de är ritade med över tid släpande medelvärden. Ritar vi den globala trenden enbart för åren 1998 och framåt ser vi att den faktiskt är svagt fallande sedan 15 år tillbaka.

6 6 går av en jämförelse mellan diagram 1 och 2. Koldioxidkoncentrationen i atmosfären har fortsatt öka med accelererande hastighet medan uppvärmningen har bromsat. Diagram 1. Årsmedeltemperatur Diagram 2. Genomsnittlig mängd koldioxid i atmosfären (PPM) 3 3 Data från 1958 till 1974 kommer från mätningar av David Keeling vid Scripps Institution of Oceanography (SIO) och finns på Scripps websida (scrippsco2.ucsd.edu). Data från 1974 till idag kommer från Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL. (

7 7 Betyder det att forskarna haft fel om att det främst var den ökade koldioxidhalten som drev upp temperaturen i slutet av 1900-talet? Utan fackkunskaper i ämnet kan man knappast dra någon egen slutsats om detta. Det förefaller som om de flesta som är vetenskapligt sysselsatta med frågan håller fast vid hypotesen att koldioxid och en rad andra gaser verkligen har en växthuseffekt (vilket det finns goda teoretiska grunder för), men att det uppenbarligen finns andra mekanismer inblandade som till och från håller emot. Den förra uppvärmingsfasen började omkring år 1910 och avlöstes en bit in på 1940-talet av en period om trettio år då den genomsnittliga årsmedeltemperaturen inte steg (se diagram 1), trots att koldioxidhalten i atmosfären sannolikt ökade (även om det inte finns mätningar från den tiden). Vilka mekanismer som är bestämmande i sammanhanget och hur de verkar finns ett antal hypoteser om som prövas mot data och teori, och förr eller senare kommer forskningen säkert att ge oss ett svar. Låt oss understryka att oavsett hur det förhåller sig med det så kvarstår stora omställningsbehov till följd av att en väsentligen större andel av jordens befolkning träder in i konsumtionssamhället än vad som hittills varit fallet. Möjligen är det snarare tilltagande brister på ändliga resurser och annan miljöförstöring som blir drivande för detta än effekter av atmosfärens uppvärmning. Det är i sammanhanget av vikt att omställningarna kräver stora investeringar i forskning och infrastruktur som tar lång tid att genomföra. Till exempel kan nämnas det västsvenska infrastrukturpaketet, som nu har inletts och beräknas vara färdigställt först år Det råder knappast något tvivel om att omställningsarbetet går för långsamt och att det finns risker för att de goda lösningarna inte finns på plats när de verkligen är av nöden. Mot denna bakgrund är det olyckligt att frågorna om den globala uppvärmningen har blivit en stor berättelse som fått eget liv bortom fakta, rentav en trosbekännelse som inte i någon del får ifrågasättas. Tvärtom måste den ständigt konfirmeras och stärkas. Ett exempel av många - den 19 november i fjol meddelade Dagens Eko i Sveriges Radio, etablerat som en av landets mest trovärdiga och seriösa nyhetskällor: 4 Jorden på väg mot dramatisk uppvärmning. Världen går just nu mot en temperaturhöjning på fyra grader, alltså dubbelt så mycket som det mål som lades fast på klimatmötet i Köpenhamn för två år sedan. Och det riskerar att leda till oöverblickbara konsekvenser, enligt en rapport från Världsbanken som kom i dag. Miljöministern Lena Ek tar hotet på stort allvar. Men rapporten som Världsbanken publicerade utredde inte klimatfrågan i sig, utan var en konsekvensbeskrivning av vad följderna skulle 4

8 8 bli för världsekonomin om man antar att uppvärmningen blir avsevärt snabbare än vad nuvarande prognoser spår. Antagandet om en temperaturhöjning om fyra grader var resonemangsmässigt och inte grundat på någon vetenskaplig bedömning (World Bank 2012). Det var inte bara Dagens Eko som fångad av den stora berättelsen trampade fel här. Nyheten fick stor uppmärksamhet genomgående i massmedia och debatt, utan undantag med samma osakliga och felaktiga vinkling. Detta är bara ett exempel av många på alarmistiska uppgifter i massmedia och politik som är svagt underbyggda. Som påpekas i denna rapport är det mycket svårt att dra några slutsatser om sambanden mellan extrema regionala väderhändelser och den globala årsmedeltemperaturens förändringar, men detta tas ständigt för givet i kommentarer till översvämningar och orkaner runt om i världen. Fyra klimatforskare och ledamöter i Vetenskapsakademin som på DN-Debatt kritiserade rapporteringen om Världsbankens utredning (Bengtsson et al. 2013) påpekade att misstolkad och missriktad information kan få till följd att forskarnas trovärdighet kan komma att ifrågasättas och att åtgärder blir felprioriterade. Det kan tyckas provocerande att kalla den globala uppvärmningen en stor berättelse, dvs. postmodernisternas begrepp för att beskriva ideologiernas bild av historien och dess riktning. I rapporten förordar författarna en tyngdpunktsförskjutning från det globala till det regionala. Såväl när det gäller fortsatt kunskapsproduktion som insatser för att komma tillrätta med problemen är nämligen inte klimatfrågan främst global utan regional. "Global årsmedeltemperatur" finns egentligen inte någonstans. Det är ett aggregat på mycket hög abstraktionsnivå, som leder tanken till att det sker någon slags global utjämning i uppvärmningen. Men så är det inte. Av rapporten framgår att variationen i graden av temperaturökning beroende på latitud, longitud och årstid är åtminstone lika stor som den globala förändringen i sig. I detta ligger egentligen ett skifte av diskurs - och när man inser det blir det tydligt att "den globala uppvärmningen" med betoning på det globala är just en diskurs eller stor berättelse. Samma fakta kan fogas samman på olika sätt, till olika helhetsbilder där vad som är i förgrunden i en kommer i bakgrunden i en annan, och det som faller utanför synfältet i en hamnar i centrum i en annan. 5 Den stora berättelsen om den globala uppvärmningen är präglad av vår tids så vanliga tendens att individualisera samhällsproblem, och den blir därmed laddad med moraliserande undertoner. Vi lever på syndfullt sätt och nu kommer straffet. Man ska inte köra bil och äta 5 En diskurs är ett sätt att foga samman fakta till en berättelse. Ett diskursskifte är att ordna samma fakta på ett annat sätt så att de bildar en annan berättelse. Man kan likna detta vid illusionsbilder där en och samma teckning först visar en sak och sedan en annan, t.ex. en profil av en gammal gumma i huckle blir en ung högtidsklädd dam, eller en pokal blir två profiler.

9 9 kött. Fy och skam, botgöring krävs. Parallellen mellan forna tiders avlatsbrev och klimatavgift på flygresan till Thailand är slående. Det allvarliga med detta är att det, som forskarna påpekade i DN, kan leda till motreaktioner. De omställningar som vi oavsett klimatförändringar står inför innebär ingripande förändringar i människors livsstilar. Det finns otvivelaktigt fördelar vad gäller livskvalitet, men det människor reagerar mot är vad man uppfattar som försämringar, t.ex. trängselskatt. Mot bakgrund av den stora berättelsens dominans om hur uppvärmningen och dess effekter bara blir mer och mer katastrofala kan en skicklig populist helt sanningsenligt med pukslag och trumpetstötar "avslöja" att det faktiskt inte har förekommit någon uppvärmning under de senaste femton åren (se återigen diagram 1) - och ur denna sanning hämta trovärdighet för en följande osanning att hela frågan om uppvärmningen är en bluff, en konspiration av den politiskt korrekta eliten för att komma åt vanligt folk och deras sätt att leva. De vill ta ifrån oss bilen, köttet och Thailandsresan bara för att eliten föraktar våra vanor och nöjen i livet, inte för att det verkligen behövs som de lögnaktigt påstår! Många människor har i denna tid av globalisering och snabba tekniska förändringar en känsla av att någon annan allt mer drar upp ritningarna för deras liv i ett samhälle man inte längre riktigt känner igen sig i. Det finns en resonansbotten för kommunitära reaktioner som inte ska underskattas. I Göteborg slås man av den oresonliga och hatfulla aggressionen hos en del av motståndarna till trängselskatten. En backlash i klimatfrågan kan få allvarliga konsekvenser, dels därför att den kan undergräva förtroendet för den etablerade politiken och öppna för mörkerkrafter, dels därför att det riskerar att försena eller rent av att blockera den omställning till hållbarhet som är nödvändig oavsett vad som händer med atmosfärens uppvärmning. Det finns en kritisk punkt där en stor berättelse som blandas med moralism, och allt mer kommer i otakt med fakta som undertrycks, löper risk att punkteras. Vi kan kalla det en Kejsarens nya kläder-effekt. För att undanröja risken för det bör arbetarrörelsens debatt i dessa frågor fjärmas från moralismen (inte moralen, det är en annan sak) och öppnas för även motsägelsefulla fakta och osäkerheter. Det kräver ökade kunskaper. Därför ger Tankeverksamheten ut denna rapport om klimatfrågan. Den är inte författad av några obskyra klimatskeptiker utan av några av de främsta forskarna vid de mest etablerade och renommerade institutionerna inom området, bl.a. Max-Planck institutet i Tyskland, Hadley Center i Storbritannien och MIT i Förenta staterna, för att nämna några. De ger en initierad bild av var forskningen om klimatförändringarna befinner sig i dag, vilka kunskapsluckor som finns och med vilken inriktning nya steg bör tas.

10 10 Det är en kvalificerad text som ställer krav på läsarna. Vid översättningen har vi kompletterat med förklarande fotnoter. Ändå finns passager med teknikaliteter som kan vara svåra att helt tränga till botten i. 6 Vi tror dock inte att det är nödvändigt för att man ska kunna följa och förstå huvudresonemangen och på kuppen skaffa sig åtskillig ny kunskap i frågan. Om vi ska kunna mejsla fram en socialdemokratisk politik för hållbarhet i den ekologiska dimensionen, och inte bara lita till vad andra säger, räcker det inte med en god vilja. Vi måste skaffa oss hårda kunskaper också. Referenser Bengtsson, L. et al. (2013), Misstolkad klimatrapport hotar forskares trovärdighet, DN Debatt World Bank (2012), Turn down the heat: why a 4 C warmer world must be avoided. Washington DC: World Bank. 6 Den som så vill kan läsa avsnitt 3 mer översiktligt medan avsnitten 4 och 5, där författarna drar sina slutsatser, är de mest intressanta.

11 11 Koldioxid och klimat: perspektiv på en vetenskaplig bedömning 1. Inledning År 1896 presenterade för första gången Svante Arrhenius hypotesen att en ökad mängd koldioxid i atmosfären kan påverka klimatet. 7 Observerbar evidens att koldioxidkoncentrationen i atmosfären faktiskt ökar blev tillgänglig på 1960-talet, tack vare de kontinuerliga mätningar som hade påbörjats av Charles D. Keeling år År 1979 gav Förenta staternas nationella vetenskapsakademi en liten grupp forskare under ledning av Jule Charney uppdraget att göra en vetenskaplig bedömning av möjliga effekter på klimatet av koldioxid (Charney et al. 1979). Till följd av den slående överensstämmelsen mellan deras slutsatser då och nuvarande analyser av klimatförändringar väcker rapporten (känd som Charneyrapporten ) beundran, men tvingar oss också att ställa frågan: vilka framsteg har vi egentligen gjort när det gäller förståelsen av koldioxideffekter under de 30 år som gått? Vilka kunskapsluckor finns? Vad betyder det för samhällets strävanden att förbättra bedömningarna av framtida långsiktiga klimatförändringar? I texten diskuterar vi dessa frågor utifrån våra personliga reflektioner i en liten krets av forskare med olika bakgrund och specialiteter. Efter en kort presentation av Charneyrapporten (avsnitt 2) diskuterar vi de vetenskapliga framsteg (eller frånvaro av framsteg) som därefter har gjorts beträffande de huvudfrågor som rapporten identifierar (avsnitt 3). I avsnitt fyra belyser vi vilka lärdomar man kan dra av de senaste decenniernas klimatforskning och ställer några förslag på ytterliga framgångsvägar. 7 Svante Arrhenius ( ) var en svensk fysiker och kemist verksam vid Stockholms högskola. Räknas som en av den fysikaliska kemins grundare. Blev den första svenske Nobelpristagaren när han fick priset i kemi år 1903.

12 12 2. Charneyrapporten I förordet till Charneyrapporten noterade Vern Suomi att forskare i mer än ett sekel känt till att förändrad sammansättning av atmosfären kan påverka klimatet, att de nu hade oemotsägliga bevis för att atmosfärens sammansättning verkligen förändras, och det hade påkallat ett antal undersökningar under senare tid om verkningarna av ökade koldioxidmängder. Charneyrapporten hade utarbetats vid ett för forskningen gynnsamt tillfälle: tjugo år av mätningar i Manua Loa hade bortom tvivel bevisat att koldioxidkoncentrationen steg, och allmänna cirkulationsmodeller hade just börjat tillämpas för att tolka följderna. Det relativt stora genomslaget för Charneyrapporten kan åtminstone delvis förklaras med att den var så koncis. Hela rapporten är 16 och en halv sida lång, och dess slutsatser sammanfattas i ett inledande avsnitt på två och en halv sida. Författarna börjar med antagandet att koldioxidhalten kommer att vara fördubblad någon gång under första halvan av det tjugoförsta århundradet, och fortsätter med att uppskatta den följande förändringen av årsmedeltemperaturen till nära plus tre grader Celsius vid ekvatorn och något mer vid högre latituder. Efter en diskussion om osäkerheten i en sådan skattning konstaterar de att ingen av modellberäkningarna dock visar en uppvärmning som går att negligera. Rapporten fokuserar på förändringar av den globala årsmedeltemperaturen, men författarna påpekar att: Det finns evidens för att variationen av dessa anomalier beroende på latitud, longitud och årstid kommer att vara åtminstone lika stora som den globala förändringen i sig, och det leder fel att försöka göra regionala prognoser på grundval av enbart globala eller zonala genomsnitt. Medan författarna är tydliga med att deras slutsatser huvudsakligen är baserade på kalkyler i tredimensionella cirkulationsmodeller, så påpekar de: Vår tilltro till slutsatsen att en fördubbling av koldioxidhalten kommer att leda till en signifikant temperaturökning och andra klimatförändringar grundas på förhållandet att resultaten av strålnings/värmeströmnings- och värmebalansmodellstudier kan förstås i genuint fysikaliska termer och verifieras av en mer komplex GCM. 8 Författarnas filosofi när det gäller den allmänna cirkulationsmodellen (GCM) betonas ytterligare längre fram i rapporten: 8 GCM = General Circulation Model = Allmän cirkulationsmodell, dvs. en numerisk tredimensionell simulation av det globala klimatsystemet.

13 13 För att bedöma klimateffekterna av en ökad koldioxidhalt i atmosfären granskar vi först de primära fysiska processer som påverkar klimatsystemet i dess helhet. Dessa processer studeras bäst i enkla modeller som gör det lätt att förstå deras fysikaliska grundkaraktäristika. Den förståelse som kommer av dessa studier sätter oss i stånd att bättre kunna bedöma förloppen i den tredimensionella cirkulationsmodell som behövs för noggranna beräkningar. Författarna diskuterade vad de bedömde som de främsta hindren för mer exakta prognoser över klimatförändringarna, bland annat i vilken grad värme och koldioxid absorberas i havsdjupen och återkopplingseffekter av förändrad molnighet. De redovisade också sin oförmåga att säga något om klimatförändringarnas regionala skillnader på grund av de stora osäkerheter som regionala klimatprognoser från GCM är behäftade med. Dessa frågor är i högsta grad levande ännu i dag. Vad var det som gjorde Charneyrapporten så förutseende? Betoningen av vikten av fysikalisk förståelse genom både teori och enkla modeller, såväl för dess egenvärde som för att understödja tolkning och kontroll av GCM-resultat, visade sig vara mycket fruktbar och frambringade en prognos över den globala medeltemperaturens ökning som praktiskt taget sammanfaller med nutida prognoser, trots att de saknade fördelen av att ha tillgång till tydliga tecken på uppvärmning i sina observationer. De använde till exempel flera angreppssätt för att uppskatta återkopplingseffekter i klimatet, först enkla fysiska principer och antaganden, därefter endimensionella modeller för att göra initiala beräkningar av återkopplingar, för att till sist förfina eller vidga analysen med den fullständiga allmänna cirkulationsmodellen. Det gav dem en god förståelse av de huvudprocesser som styr klimatets känslighet, och de kunde försvara sina frågeställningar utan att vara beroende av komplexa modeller. Det kan vara svaret på varför deras slutsatser accepterades och har stått sig över tiden. 3. Centrala områden för framsteg (eller frånvaro av framsteg) sedan Charneyrapporten Vi väntar oss att ökningen av koldioxid kommer att dominera accelerationen av de antropogena krafterna under följande decennier, så därför förblir förutsägelser av effekter på klimatet av koldioxid en huvudfråga. 9 Här ska vi diskutera de framsteg som har gjorts i denna 9 Antropogen = av människan orsakad.

14 14 fråga under de tre senaste årtiondena genom att granska de olika mekanismer för den koldioxidframkallade klimatförändringen som diskuterades i Charneyrapporten: utvecklingen av kol i atmosfären (avsnitt 3a), strålningsdrivning 10 (avsnitt 3b), klimatkänslighet (avsnitt 3c), de viktiga fysiska processerna för klimatåterkoppling 11 (avsnitt 3d), oceanernas betydelse (avsnitt 3e) och tillförlitligheten i GCM-prognoser (avsnitt 3f). 3a. Kol i atmosfären Charneyrapporten presenterade knappast någon ny information om den globala kolcykeln utan sammanfattade bara kort dess huvuddrag baserat på en bok som hade publicerats samma år (Bolin et al. 1979). Det inbegrep kommentarer som vilken roll havsdjupen spelar som en möjlig sänka för koldioxid från fossilt bränsle har inte tillräckligt utforskats och om någon ökning av kol i de återstående skogarna i världen har ägt rum är inte känt. Ändå drog rapporten slutsatsen att Osäkerheter beaktade förefaller det som en fördubbling av koldioxid i atmosfären kommer att inträffa omkring 2030 om användningen av fossila bränslen fortsätta att öka i en takt om fyra procent per år, som fallet var tills för några år sedan. Om ökningstakten blir två procent kommer tidpunkten för en fördubbling att skjutas fram 15 till 20 år, medan en konstant användning av fossila bränslen på dagens nivå förskjuter tidpunkten för en fördubbling in i det tjugoandra århundradet. Även om de inte säger det uttryckligen tycks det som att deras huvudantagande innefattar en tro att oceanerna är den enda sänkan för antropogen koldioxid, och att jordens biosfär förblir neutral. De rapporterar att det har blivit brukligt att inledningsvis göra ett antagande om att ungefär 50 procent av utsläppen stannar i atmosfären. Vi har nu en tydligare och mycket mer kvantifierad bild av den globala kolcykeln. Även om avskogning är erkänd som en källa till koldioxid (LeQuèrè et al. 2009, Friedlingstein et al. 2010) så anses nu jordens ekosystem i dess helhet vara en nettosänka för antropogen koldioxid, vilken absorberar ungefär samma mängd som de globala oceanerna. Detta är känt från observationer av kombinerade förändringar av atmosfärisk koldioxid och ozon, inversion från ovan av atmosfäriskt koldioxid och modellering av oceanernas och landmassornas biogeokemi (se Denman et al för en översikt om dessa olika metoder). 10 Strålningsdrivning är ett mått på balansen mellan in- och utstrålning av värme i jordatmosfärssystemet. 11 Med klimatåterkoppling menas att klimatförändringar skapar reaktioner i jordens ekosystem som antingen ytterligare driver på, eller bromsar, klimatförändringen.

15 15 Under det senaste årtiondet har studier också visat hur klimatförändring kan påverka ekosystemens förmåga att absorbera koldioxid både till lands och till sjöss. Modellstudier som utförts under senare år har pekat på en förstärkande återkoppling mellan klimatförändring och den globala kolcykeln (Cox et al. 2000, Dufresne et al. 2002). Tilltagande skiktning av oceanernas övre delar till följd av uppvärmning av ytan reducerar exporten av kol till havsdjupen, och begränsar därmed utbytet av koldioxid mellan luft och hav. Försämrad biologisk produktivitet i de tropiska skogarna och en allmän ökning av utsöndringen av kol från markorganismer (heterotrofisk respiration) har delvis uppvägt markens kolupptag genom en gödningseffekt av koldioxid. 12 Trots den stora osäkerheten när det gäller omfattningen av kolcykelns klimatåterkoppling (Friedlingstein et al. 2006) antyder en analys av temperatur- och koldioxidavtryck i iskärnor på förstärkande effekter. Kolmängden i luften väntas öka i framtiden som ett resultat av att sänkor mättas med ökade mängder koldioxid och blir mindre i en varmare värld. Sammankopplade modeller för klimat- och kolcyklerna pekar på att den luftbundna andelen kan öka från ett nuvarande värde om 45 till 62 procent (skattat medianvärde). Analyser av de senaste 50 åren tycks indikera att den luftbundna andelen redan har ökat (LeQuèrè et al. 2009). Jämfört med Charneyrapporten ändrar inte dessa rön uppskattningen av klimatets känslighet i responsen på en antagen fördubbling av koldioxidhalten, dock kan tidpunkten för denna fördubbling inträffa snabbare. Den kanske viktigaste utvecklingen har kanske helt enkelt varit studiet av koldioxidspår i iskärnor, som började publiceras kort efter Charneyrapporten (Delmas et al. 1980). De anmärkningsvärda fluktuationerna av koldioxidkoncentrationen mellan istiderna och perioderna däremellan lägger band på klimatets känslighet och utgör en utmaning för vår förståelse av mekanismerna för den underliggande kolcykel som nu störs av de antropogena utsläppen. 3b. Strålningsdrivning Begreppen strålningsdrivning och klimatkänslighetsbalans var väl etablerade vid tiden för Charneyrapporten. Huvudfrågorna kring uppskattning av strålningsdrivning i en atmosfär med bestämda moln och vattenånga hade redan besvarats i den litteratur som Charneyrapporten baserades på (t.ex. Ramanathan et al. 1979, Manabe & Wetherald 1975). Betydelsen av att studera strålningsströmmar vid troposfär- 12 Heterotrofisk respiration: när markorganismer (växtrötter och mikroorganismer) respirerar bildas koldioxid som utfälls i jorden.

16 16 gränsen hellre än vid jordytan, den stratosfäriska anpassningen, mättnaden av koldioxidföreningar och överlappningen mellan vatten- och koldioxidabsorberande föreningar hade diskuterats. 13 Strålningsdrivningen vid en fördubbling av koldioxidkoncentrationen uppskattades i rapporten till ungefär fyra watt/kvm med en osäkerhet om ± 25 procent. 14 Författarna tog hänsyn till en del av svårigheterna att beräkna drivningen och avvisade avsevärt högre värden som fanns i litteraturen (t.ex. MacDonald et al. som uppskattade strålningsdrivningen till mellan sex och åtta watt/kvm). Sedan rapporten har de strålningskalkyler som beräkningen baseras på återkommande förbättrats, med en mer än tiofaldig ökning av de absorptionslinjer som används i strålningsöverföringsberäkningar och med ett större antal gaser inbegripna, samtidigt som den sammanhängande helhetsbilden av absorptionen i vattenånga har blivit tydligare om än inte helt förklarad. I standard atmosfärprofiler varierar värdet av den koldioxiddrivna strålningsdrivningen beräknad med olika linjevisa strålningskoder med bara 2 procent av en standardavvikelse, medan beräkningar från GCM-koder uppvisar en större standardavvikelse om cirka tio procent (Collins et al. 2006). Dessa skillnader ökar om man tar med osäkerheter i den specificerade molnfördelningen och luddigheten i definitionen av troposfären. Ändå är den nuvarande bästa uppskattningen av den klassiska strålningsdrivningen, 3,7 ± 0,3 watt per kvm (Myhre et al. 2001; Gregory & Webb 2008), helt i överensstämmelse med uppskattningen i Charneyrapporten, medan osäkerheten har reducerats påtagligt. Emellertid fortsätter begreppet strålningsdrivning att utvecklas, i synnerhet som en följd av konstaterandet att snabba reaktioner på förändrad koldioxidkoncentration (reaktioner som inträffar innan oceaner och troposfären har genomgått en signifikant uppvärmning) inbegriper inte bara den stratosfäriska anpassningen utan också förändringar i troposfären, särskilt när det gäller molnigheten. Detta förändrar definitionerna av både drivning och återkoppling (t.ex. Hansen et al. 2002; Shine et al. 2003; Gregory et al. 2004, Andrews & Foster 2008). Dessa nya koncept har visat sig värdefulla för att skärpa vår förståelse för spridningen av modellreaktioner (Gregory & Webb 13 Troposfären är det lägsta lagret i jordens atmosfär. Höjden är cirka km vid ekvatorn och 8-10 km vid polerna. Troposfären karakteriseras av att temperaturen sjunker med höjden över havet. Ovanför troposfären finns stratosfären som karakteriseras av att temperaturen stiger med höjden. Mellan troposfären och stratosfären finns tropopausen eller tropsfärgränsen. Paradoxalt nog blir stratosfären svalare om troposfären blir varmare, vilket kallas den stratosfäriska anpassningen. 14 För att temperaturen ska vara konstant på jorden måste värmeutstrålningen vara lika stor från jorden som instrålningen är från solen. Om denna balans rubbas kommer temperaturen antingen att stiga eller falla. Det kallas strålningsdrivning. Ökningen av koldioxid i atmosfären antas minska värmeutstrålningen. Beräkningen här avser effekten av detta vid en fördubbling av koldioxidhalten.

17 ; Williams et al. 2008), men på kuppen förlorar vi den rena distinktionen mellan en drivning som kan beräknas på strålningsprocesser i sig och återkopplingar som är modellberoende. 3c. Klimatkänslighet Charneyrapporten levererade ett intervall för klimatkänslighetsbalans om 1,5 till 4,5 grader Celsius, med en bästa gissning på tre grader Celsius. Det är väl känt att det har varit svårt att minska detta stora intervall. IPCC:s fjärde rapport (Meehl et al. 2007) konstaterar att klimatkänslighetsbalansen troligen finns i intervallet 2 till 4,5 grader Celsius, med en bästa uppskattning till tre grader. Alltsedan Charneyrapporten har det understrukits att definitionen av balansen beror på vilka av relativt långsamma processer som tas med i beaktande, innefattande såväl utvecklingen av istäckena på Grönland och Antarktis, som kol- och andra biogeokemiska cykler. I synnerhet har det argumenterats för att albedo-återkopplingen från istäckena kan öka klimatkänsligheten avsevärt mer än vad som antas utifrån de relativt snabba återkopplingar som diskuteras i Charneyrapporten (t.ex. Hansen 2011). 15 Ett antal av de frågor som i dag dominerar pågående diskussioner om klimatkänsligheten finns inte med i Charneyrapporten. Där finns ingen diskussion om transient klimatkänslighet eller uppskattning av de tidsskalor över flera århundraden som behövs för att närma sig dessa balansresponser (se avsnitt 3d). 16 Där sägs heller inte mycket om återhållande krafter för klimatkänsligheten som exempelvis respons på vulkaniska aerosoler (avkylande partiklar) i stratosfären, respons på den elvaåriga solcykeln, istidernas och de mellanliggande periodernas responser på förändringar i jordens omloppsbana (och många andra förhistoriska klimatologiska observationer) och mest uppenbart själva trenden av uppvärmning under det senaste århundradet och vilken roll modeller spelar för tolkningen av sådana observationer, till exempel genom att bestämma hur en respons på Pinatubovulkanen relaterar till responser på mer långsamt utvecklande växthusgaskrafter. Rapporten skiljer sig avsevärt från nutida bedömningar i att den inte diskuterar utforskning och granskning av andra företeelser i sammanhanget, följaktligen berörs inte ickekoldioxidrelaterade antropogenska krafter (t.ex. andra växthusgaser än koldioxid, aerosoler, förändringar i markutnyttjande m.m.). 15 Albedo = reflexionsförmåga för solstrålning. Is reflekterar solljus bättre än vatten. Om ishavsisarna smälter blir uppvärmningen snabbare därför att hav tar upp mer värme från solen än is. 16 Transient = kortvarig vågrörelse till följd av en plötslig händelse.

18 18 Slutligen var ambitionen liten eller ingen att diskutera vattenkretslopp, regionala klimatförändringar eller extrema väderförändringar. Är det en fatal brist för rapporten? Varför ska vi egentligen bry oss om den globala medelklimatkänsligheten överhuvudtaget? Vi återkommer till denna fråga i avsnitt 4 nedan. 3d. Huvudsakliga återkopplingar Charneyrapporten skissade tydligt de huvudsakliga återkopplingsmekanismerna inom det fysiska klimatsystemet och vågade ett försök att uppskatta klimatkänsligheten genom att kvantifiera dem. Rapportens fokus var på vattenånga och albedo-förändringar på jordens yta, då dessa var de mest kända återkopplingsmekanismerna vars karaktär och kännetecken kunde antas med hjälp av enkla fysikaliska argument: man kan förvänta sig att den absoluta fuktigheten ökar när atmosfären värms upp medan den relativa fuktigheten förblir ungefär densamma, och att ytalbedo minskar när snö och is reduceras av värmeökning. Baserat på modellstudier utifrån dessa resonemang beräknade Charneyrapporten storleken på återkoppling från vattenånga till 2,0 watt/kvm Kelvin och angav 0,3 watt/kvm Kelvin som det mest troliga värdet för återkopplingseffekten av ytalbedo. 17 I jämförelse uppskattas återkoppling av vattenånga och ytalbedo i IPCC:s senaste bedömning till respektive 1.8±0,18 och 0,26±0,08 watt/kvm Kelvin (Randall et al. 2007). Medan våra bästa uppskattningar av styrkan i dessa återkopplingar sålunda har förändrats mycket lite sedan Charneyrapporten, har avsevärda ansträngningar och framsteg gjorts när det gäller att stärka robustheten i de fysikaliska resonemang som underbygger dessa uppskattningar. Charneyrapporten pekade också på möjliga förändringar i molnighet, relativ fuktighet och temperaturgradient som de främsta källorna till osäkerhet i deras uppskattning av klimatkänsligheten och knöt en återkopplingsstyrka om 0±0,5 watt/kvm Kelvin för den kombinerade effekten av sådana processer. 18 Rapporten är inte tydlig om hur författarna kom fram till denna siffra, men det förefaller troligt att styrkan för återkoppling av vattenånga, vilken då som nu anses som den mest betydande och uppenbara återkopplingseffekten, och en önskan att förbli konsistent med studier av den allmänna cirkulationsmodellen, kan ha spelat roll i deras tänkande. I jämförelse har IPCC nyligen uppskattat den kombinerade effekten av återkoppling av moln och tempe- 17 Watt per kvadratmeder i Kelvin är ett mått för värmeöverföring. 18 Temperaturgradient = hur mycket luftens temperatur förändras med höjden.

19 19 raturgradient, vilka var för sig beräknas till något starkare än 0,5 watt/kvm Kelvin fast i olika riktningar, till 0,15±0,46 watt/kvm Kelvin. Det måste erkännas att mycket lite framsteg har gjorts för att minska den osäkerhet Charneyrapporten tillskriver nettoeffekterna av dessa klimatåterkopplingar. Men det betyder inte att förbättring av vår förståelse för och uppskattning av klimatåterkoppling är utom räckhåll (Bony et al. 2006; se även Hannart et al för ett svar på Roe & Bakers [2007] argument att det av grundläggande statistiska skäl skulle vara svårt att reducera denna osäkerhet). I själva verket har viktiga steg tagits för att utveckla en bättre fysikalisk förståelse för de fysiska mekanismer som är förenade med klimatåterkoppling. Vid tiden för Charneyrapporten tycks det inte ha funnits mycket mer än en vag idé om varför molnigheten skulle påverkas vare sig av ökade koncentrationer av växthusgaser eller förändrade yttemperaturer. Under decennierna som följde beskrevs en mångfald mekanismer, sträckande sig över tendensen att moln skiftar uppåt när klimatet blir varmare (t.ex. Hansen et al. 1984; Wetherald & Manabe 1988; Mitchell & Ingram 1992), hypoteser som knyter molnvatten till temperaturgradienten för vatten (Somerville & Remer 1984), molnmängderna i de subtropiska zonerna till den tropiska temperaturgradienten (Klein & Hartman 1993), dessa temperaturgradienter har i sin tur blivit kopplade till förloppen av djupa konvektionsströmmar (Zhang & Bretherton 2010). 19 Idéer har också utvecklats om att stormars framfart kan förväntas vandra mot polerna i ett varmare klimat och hur detta kan omfördela molnigheten i förhållande till solstrålningens spridning, eller hur de ökade ytströmmarna och förändrade profilerna av fuktig statisk energi som krävs av en atmosfär med bibehållen relativ fuktighet kan förväntas producera mer nederbörd men färre moln (Held & Soden 2006; Brient & Bony 2011; Rieck et al. 2011). 3e. Oceanernas betydelse Charneyrapporten ansåg att oceanernas primära betydelse för klimatförändring var att de bestämmer tidsskalan för bindningen av värme och kol i oceanernas inre, och liten uppmärksamhet ägnades åt oceanernas roll i klimatdynamiken i tidsperspektiv av årtionden och århundraden. Ur modern synvinkel är rapportens behandling av detta dess svagaste punkt. Medan rapporten korrekt uppfattade oceanernas roll för att forma de vattenförhållanden som bestämmer styrkan i oceanernas upptag av värme, så var förståelsen liten för de fysikaliska processer som är 19 Djupa konvektionsströmmar = vertikala flöden av luft i atmosfären och vatten i djuphaven.

20 20 inblandade. Oceanernas värmeinnehåll kan förändras genom passiv luftväxling varvid en mängd vatten i interaktion med atmosfären tar upp värme i sitt inre huvudsakligen genom isopyknal transport (t.ex. Church et al. 1991). 20 Därtill kan oceaners värme förändras när dess skiktning ökar och cirkulationen mellan skikt minskar, så att oceanernas inre egenskaper ackumuleras. Observationer av och förmåga att göra modeller för oceanerna var mycket rudimentära för 30 års sedan. Systemet för observationer, vilket tidigare bestod av mätningar från skeppsbaserade plattformar, har revolutionerats av satellitmätningar och robotflottar (Freeland et al. 2010). Tätheten i mätningar i oceanernas övre 700 meter har, trots att vertikalt homogena vattenmassor (mode-waters) vid höga latituder inte täcks, ändå börjat göra det möjligt att spåra förändringar i oceanernas värmeinnehåll över decennier (Lyman et al. 2010). Dock återstår betydande osäkerheter i nuvarande observationsbaserade skattningar. Det är troligt att svårigheterna att göra ett bokslut för jordens värmebudget (Trenberth & Fasullo 2010) till viss del beror på dessa osäkerheter. Den oceaniska komponenten i klimatmodeller har trots återstående fel och begränsningar utvecklats mycket under de senaste decennierna. En ny generation av modeller kan nu representera viktiga processer som vattenvirvlar i storleksordning från några kilometer upp till 100 kilometer (t.ex. Farneti et al. 2010) och strömmar över socklar på höga latituder som reglerar hur oceanerna transporterar värme och material från sina ytor ner i det inre. Införandet av en ny generation beräkningsredskap i både processorienterade och realistiska modeller underlättar nu tolkningen av mekanismer i observationer och fysikaliskt baserad värdering av mer komplexa modeller (se t.ex. Griffies et al. 2010), och utvecklar därmed den robusta förståelse som behövs för att främja tillförlitligheten i skattningar av oceanernas roll i klimatförändringar. I denna process har vattenskiktningens roll framträtt som särskilt viktig. I tillägg till dess betydelse för kolcykeln och havens nettoupptagning av värme (omnämnt i Charneyrapporten) modifierar också oceanernas skiktning många processer med kortare tidsskala som sträcker sig från klimatväxlingar mellan årtionden, till El Niños effekter i den varma fasen, till tropiska cykloners livscykel vilken är kritiskt beroende av förmågan att ta upp värme från de övre oceanskikten. Detta bidrar till vår växande förståelse för hur viktigt det är att studera klimatets variationer i en tidsskala mellan årtionde och århundrade, och denna inre variations förmåga att komplicera förståelsen av observerad klimatförändring till följd av olika antropogeniska faktorer. 20 Isopyk = En vattenytas potentiellt konstanta täthet. Ju djupare man kommer desto tätare blir havet. Salthalt och temperatur är av betydelse för regleringen av denna ordning. För att bibehålla den tar havet upp värme från atmosfären = isopyknal transport.

21 21 3f. Tillförlitligheten av GCM-projektioner Charneyrapporten använde bara fem modeller, och undersökte de viktigaste fysikaliska dragen i varje för att nå de mest realistiska och robusta resultaten. Till exempel i en modellsimulering med hög förekomst av havsis antogs det att is-albedoeffekten skulle bli överdriven, och denna skevhet justerades för i den slutliga bedömningen. Med tiden har modellernas antal och komplexitet tilltagit, och det har ökat möjligheterna att identifiera robusta resultat genom komplexa modellsimulationer, men det har samtidigt blivit svårare att knyta enskilda skevheter till en särskild process eller egenskap hos modellen. Därför används i ökad grad numeriska metoder för att värdera modellresultat snarare än fysikalisk tolkning. Eftersom det finns så många användbara numeriska metoder, och eftersom olika metoder ofta kommer till olika slutsatser om vilken modell som är bättre eller sämre, har det blivit en huvuduppgift inom området att skräddarsy numeriska metoder för särskilda prognoser. Ett åskådligt exempel är Hall och Qu (2006) som visar ett tydligt samband mellan simulerad ytsnö-albedo/temperaturåterkoppling beräknad å ena sidan på grundval av iakttagna årstidsväxlingar och å den andra simulation av klimatförändring. Återkopplingen av klimatförändringar kan därmed kalibreras med hjälp av den observerade återkopplingen av årstidsväxlingar. Forskning om klimatets respons på ozonhålets förändringar har på liknande sätt isolerat ihålligheten för den antarktiska oscillationen som ett nyckelvärde för västvindars och det medellatituda stormstråkets rörelse mot sydpolen (Son et al. 2010). 21 I rapporten övervägdes inte regionala klimatförändringar. Man noterade att på grund av valet av parametrar och graden av upplösning för dessa kan två modeller visa stora olikheter i simulationen av regionala cirkulationer som monsuner och relaterade nederbördsmönster, och därför måste anses otillförlitliga. Användningen av regionala modeller kan förbättra regionala detaljer, men är beroende av att huvudmodellen levererar en korrekt bild av den storskaliga cirkulationen, och med några noterbara undantag har framgången varit liten när det gäller att identifiera robusta förändringar för regionala cirkulationer. Högre upplösning är ovärderligt för att kunna skilja mellan fel som beror på upplösningen och sådana som inte gör det, och skärper därmed fokus på de huvudsakliga fysikaliskt grundade felen. Användningen av kombinerade simulationer med ett urval av de strukturella osäkerheterna i världens klimatmodeller och även de fysikaliska osäkerheterna som härör från olika modellers systematiska störningar har medverkat till att identifiera några robusta drag i klimat- 21 Antarktiska oscillationen beskriver rörelsemönstret för det västliga vindbälte omkring Antarktis som dominerar vädersystemet på södra halvklotets medel- och höga latituder.

22 22 förändringarna (till exempel vad gäller nederbördsförändringar), och givit impulser till fortsatt forskning för att förklara robustheten i fysikaliska termer. Dessa multimodellstudier är oundgängliga för att förbättra kvantifiering av en del källor till osäkerhet. Men de leder inte med nödvändighet till insikter hur osäkerhet kan reduceras om de inte främjar tolkningen och förståelsen för modellfel eller skillnader mellan modeller. 4. Lärdomar av erfarenheterna och rekommendationer till WCRP 22 Tillbakablicken på Charneyrapporten och framgångarna (eller bristen på framgångar) för klimatforskningen och modellkonstruktionen under de senaste decennierna leder oss till några avgörande lärdomar för framtiden. I det följande kastar vi ljus på några av dem. 4a. Flera fundamentala nyckelfrågor som restes av Charneyrapporten förblir brännande Samtidigt som analyser av klimatförändringen har breddats sedan Charneyrapporten, så förblir några av de nyckelfrågor som identifierades år 1979 som kritiska för bedömningen av effekten av koldioxid på klimatet fortfarande aktuella. Åtminstone två slående exempel är värd att uppmärksamma: 1) Klimatkänsligheten Bör den globala klimatkänsligheten fortfarande vara en fokuspunkt för klimatforskningen, även om verkningarna av klimatförändring är beroende av regionala kortvariga och plötsliga hydrologiska responser och extrema väderhändelser, snarare än responser på en global genomsnittsberäknad balansnivå? Vi menar att det bör så vara och att denna inriktning även fortsättningsvis är motiverad. Föreställ att vi aggregerar våra uppskattningar av följder av klimatförändring för samhälle och ekosystem till en globalt sammansatt 22 WCRP = World Climate Research Programme, organisation för att samordna klimatforskningen i världen som inrättades år 1980 av International Council for Science och World Meteorological Organization. Finansieras till stor del av UNESCO.

23 23 kostnadsfunktion, C(R). Givet en uppsättning av modellresultat R så är det rimligt att anta att C(R) kommer att öka med tilltagande klimatkänslighet, i takt med att klimatet drivs längre till regimer som samhälle och ekosystem får allt svårare att anpassa sig till. C(R) är naturligtvis också beroende av klimatsystemets regionala förändringar och dess specifika inverkan på samhälle och ekosystem, men detta kommer att variera med klimatkänsligheten. Vi behöver inte sätta vår lit till detaljerade regionala projektioner för att komma till denna slutsats, utan bara anta att graden av respons i princip tilltar i samklang med responsen hos den globala medeltemperaturen, och att begränsningar i vår förståelse för processer som kontrollerar systemets jämviktsrespons även spelar in när det gäller responser på plötslig och kortvarig klimatinverkan (som visas av Dufresnes och Bonys analys, 2008). Det finns i själva verket betydande överensstämmelse mellan modeller när det gäller mönster för temperaturrespons både geografiskt och årstidsmässigt, vilket är förståeligt delvis till följd av fördelningen mellan land och hav, havsisens och snötäckets tillbakadragande och den spatiala strukturen (i plötsliga och kortvariga responser) i styrkan i växlingen mellan ytliga och djupa havslager. Regionala hydrologiska förändringar är mindre överensstämmande i olika modeller, men ändå finns gemensamma drag som delvis kan förstås som responser på uppvärmning och följande ökning av atmosfärens totala vatteninnehåll. Även om mycket forskning återstår kan vi hoppas på att i nästa steg förstå förändrade väderextremer som reaktioner på dessa förändringar i den större skalan på temperaturen och vattenångemiljön och på förändringar i energibalanserna på jordytan. Vi drar slutsatsen att klimatkänslighet förblir ett centralt och viktigt mått på storleken och betydelsen av klimatets respons på koldioxid. 2) Felaktigheter hos allmänna cirkulationsmodeller visar sig mycket tydligare när det gäller regionalt klimat, vilket beror på brister i simulationen av fysiska processer och otillräcklig upplösning. Att modellberäkna moln förblir en av de svagaste länkarna i försöken med allmänna cirkulationsmodeller. Som har bekräftats av en nylig undersökning om utveckling och utvärdering av klimatmodeller som organiserats genom World Climate and Weather Research Programmes (Pirani, Bony, Jakob & van den Hurk, ännu ej publicerad) förblir fel och skevheter i modellerna den huvudsakliga begränsningen i förmågan att göra modellförutsägelser över en längre tidsskala (vad gäller väder i decennieperspektiv) och över yta (från regional till global skala). Det är inte något nytt, och modellernas tilltagande komplexitet har inte löst problemet; tvärtom förstärker ofta

24 24 brister i representationen av grundläggande och fundamentala processer som konvektion (värmetransport i vatten eller luft), molnbildning och nederbörd eller vattenmassornas skiktning i haven osäkerheten i mer komplexa processer som inkluderas för att göra en modell mer heltäckande. Till exempel leder felaktiga representationer av moln- och fuktprocesser till fel om nederbörden, vilket i sin tur resulterar i fel om atmosfärens laddning av aerosoler (partiklar) eller kemiska substanser, felaktiga kolbaserade klimatåterkopplingar, felaktig regional inverkan på klimatförändringen o.s.v. Det finns åtskillig evidens att högre upplösning (horisontalt och vertikalt) är fördelaktig för några aspekter av klimatmodellering (t.ex. den latituda positionen för jetströmmar och stormstråk eller styrkan av extremt väder) som är av betydelse för regionala klimatprojektioner. Men många modellfel visar sig vara tämligen okänsliga för upplösning och tycks snarare ha sin grund i modellernas fysikaliska innehåll, även om särskiljandet av betydelsen av dynamiska fel från fysikaliska genom användningen av högupplösta modeller eller korta prognoser (t.ex. Boyle & Klein 2010) har bidragit till att kasta ljus över detta. Att främja förbättringar i allmänna cirkulationsmodellers representation av fundamentala fysikaliska processer förblir en kritisk nödvändighet. Vid tiden för Charneyrapporten var ganska lite känt om hur moln och konvektion kan kopplas till klimatsystemets nuvarande tillstånd, och ännu mindre hur detta kan förändras. Det är emellertid intressant att rapporten, som kom i inledningen av satelliteran och de första dagarna av modellbaserade molnanalyser, inte underströk betydelsen av dessa framväxande nya teknologier för vår förståelse för klimatsystemets känslighet för förändringar i molnbildningen (t.ex. Hartmann & Short 1980; Held et al. 1993). Rapportens överseende vad gäller detta matchas bara av dess förutseende när det gäller insikten om i vilken grad modellering av molnbildning kommer att förbli en av de svagaste länkarna i den allmänna cirkulationsmodellen. För att minska osäkerheten i uppskattningen av klimatsystemets respons på ökad koncentration av växthusgaser krävs mycket bestämda ansträngningar för att komma åt denna svaga länk. Våra bästa förhoppningar för att lyckas med detta är att koppla den revolution Charneyrapporten missade med den kris den förutsåg. 4b. Förbättring av bedömningarna om klimatförändringar på lång sikt beror huvudsakligen på utvecklingen av fysikalisk förståelse Det tryck som sätts på vetenskapssamhället att leverera bättre bedömningar om hur klimatet kommer att förändras i framtiden, inbegripet den regionala nivån, har aldrig varit större än idag. Klimatmodeller

25 25 spelar en nyckelroll för dessa bedömningar, och den konventionella visdomen antar ofta att mer realistiska modeller (högre upplösning och komplexitet) sannolikt har mer omfattande och bättre prognosförmåga. Följaktligen spelar Jordsystem-modeller allt större roll för bedömningar av klimatförändringar. Tidigare erfarenheter visar emellertid att spridningen av resultat av olika GCM-modeller inte minskade när de blev mer komplexa; tvärtom introducerar denna komplexitet (gällande klimatkolcykelns återkopplingar) nya osäkerheter, ofta genom att förstärka redan existerande osäkerheter. Beträffande de stora osäkerheter som behäftar regionala klimatprognoser av GCM-modeller framhöll Charneyrapporten sina författares optimistiska tro att situationen kan väntas förbättras stegvis i takt med att större vetenskaplig förståelse uppnås och snabbare datorer konstrueras. Vår tidigare diskussion (avsnitt 3f) har pekat på att ökade datorresurser (nödvändiga för högre upplösning och komplexitet samt större mängd kombinerade simuleringar) har hjälpt till att bekräfta slutsatser från enkla modeller och pappersberäkningar (t.ex. torrt blir torrare, vått blir våtare -scenarios av storskaliga nederbördsförändringar eller stormstråkens drift mot polerna vid varmare klimat) och har på det sättet ökat vårt förtroende för trovärdigheten av en del robusta klimatförändringssignaler. Men den fortsatta svårigheten att identifiera robusta förändringar i regionala cirkulationer (t.ex. monsuner) eller fenomen (t.ex. El Niño) antyder att förbättrade bedömningar av många aspekter av regionala klimatförändringar beror mer på vår förmåga att utveckla djupare vetenskaplig förståelse än tillgång till snabbare datorer. Inför framtiden hoppas många att global icke-hydrostatisk atmosfärisk modellering ska i detalj förklara energibärande virvlar eller djupa rörelser av värmetransport, och på globala oceanmodeller med mer detaljerade representationer av medelskaliga virvelspektrum. Dessa ansträngningar behöver drivas vidare med kraft, men vad vi redan vet om betydelsen av turbulens i molnigheten, mikrofysikaliska egenskaper hos moln, den småskaliga oceanskiktningen och den biologiska komplexiteten av kolcykeln på land pekar på att enbart förbättrad upplösning är ingen patentmedicin. Framsteg bör inte mätas av våra modellers komplexitet utan snarare av klarheten i de begrepp de används för att utveckla. Ofrånkomligen kräver det utveckling och sofistikerad tillämpning av ett spektrum av modeller och experimentella ramverk, designade för att åskådliggöra de grundläggande processer som styr klimatsystemets dynamik. Detta argument vinner tyngd när man inser att till skillnad från numerisk väderprognos (för vilken tämligen direkta utvärderingar av modellernas tillförlitlighet är möjlig) så är inte empiriska test tillämpade på klimatmodeller adekvata för att ringa in klimatets responser på lång sikt på antropogeniska krafter. Allmänt sett kan man inte fullt urskilja

26 26 klimatprojektioner på lång sikt med observationer. Hur väl en modell fångar det nuvarande tillståndet för klimatsystemet, en fråga som mer realistiska modeller försöker besvara, är ett otillräckligt mått på hur väl modellen kan representera antagna förändringar i klimatsystemet. Förhistoriska klimatstudier är ovärderliga men förser oss inte heller med tillräckligt exakta analogier för att fullt ut kunna urskilja alternativa framtider. Resultaten av pågående, oavsiktliga mänskliga experiment med jordens klimat kommer för sent för att hjälpa oss skilja bland modeller. Därför kommer det att förbli svårt att fastställa trovärdigheten för våra modeller, och hållbarheten i våra förutsägelser kommer även fortsättningsvis att vara starkt beroende av utvecklingen av vår förståelse. Formuleringen av tydliga hypoteser om mekanismer och processer vi tänker oss vara kritiska för klimatåterkoppling och klimatets dynamik hjälper oss att göra komplexa problem mer överskådliga och främjar utvecklingen av riktade empiriska test. Därutöver hjälper det oss att definiera hur rikedomen av tillgängliga empiriska data kan användas för att adressera nyckelfrågor om klimatet och utvärdera modeller genom relevanta empiriska test. Till exempel formulerade Hartmann & Larson (2002) det fasta städets (the Fixed Anvil) temperaturhypotes för att förklara och förutse responsen av övre molnlager och därmed sammanhängande strålningsåterkoppling på klimatförändring. Stödet för denna hypotes av flera empiriska observationer (t.ex. Eitzen et al. 2009) och numeriska undersökningar med idealiserade högupplösta processmodeller (Kuang & Hartmann 2007) i förening med dess överensstämmelse med grundläggande fysikaliska principer ger oss tilltro till åtminstone en komponent av den positiva molnåterkopplingen i modeller över global uppvärmning (Zelinka & Hartmann 2007). På liknande vis lovar den nyliga iakttagelsen om molns snabba respons på koldioxidströmmar (Gregory & Webb 2008; Colman & McAveny 2009) framsteg för vår förståelse för molns respons på klimatförändring och vår tolkning av skillnader mellan olika modeller vad gäller klimatkänslighet. Sålunda ser vi många skäl för tillförsikt om att framgång kommer att ske när det gäller delar av molnproblemet såväl som för otaliga andra problem blandat med förekomsten av åtskilliga fortsatt kvarvarande problem. Den långsiktiga hållbarheten i Charneyrapportens slutsatser demonstrerar styrkan av fysikalisk förståelse i kombination med omdömesgill användning av enkla och komplexa modeller för att göra högkvalitativa bedömningar av framtida klimatförändringar flera decennier i förväg.

27 27 4c. Balansen mellan prediktion och förståelse bör förbättras i användningen av klimatmodeller Med den ökade användningen av numeriska modeller inom meteorologin utbröt en livlig debatt under och 60-talen (mellan J. Charney, A. Eliassen och E. Lorentz, bland andra) om atmosfäriska modeller skulle användas huvudsakligen för prediktion eller för förståelse (se Dahan-Dalmedico 2001 för en analys av debatten). En liknande debatt förblir i hög grad levande idag med avseende på forskningen om klimatförändring. Som påpekats av Held (2005) bevittnar vi ett växande gap mellan simulering och förståelse. Kommunikation med forskare, intressenter och samhället om orsakerna för vår tilltro (eller frånvaro av tilltro) till olika aspekter av klimatförändringsmodeller förblir en mycket svår sak. Graden av tilltro baseras på en genomarbetad bedömning som kombinerar fysikaliska argument med en komplex bedömning av olika styrkor och svagheter i modellers kapacitet. Att förbättra vår fysikaliska tolkning av klimatförändringen och olika modellresultat skulle avsevärt underlätta denna kommunikation. I synnerhet skulle det hjälpa till att förmedla idén att utvecklingen av bedömningen av klimatförändringar snarare liknar läggandet av ett pussel där några centrala bitar redan finns på plats än bygget av ett korthus där en ny mängd fakta plötsligt kan rasera hela byggnaden. I överensstämmelse med tidigare diskussion om den kritiska betydelsen av fysikalisk förståelse i utvecklingen av bedömningarna av klimatförändringar, bör forskarsamhället försöka fylla igen gapet. Till exempel bör grundutbildningen i klimatvetenskap främja användningen av ett spektrum av modeller och teorier för att adressera olika vetenskapliga frågor och tolka resultat av komplexa modeller. För att sluta gapet mellan simulation och förståelse krävs förutom fundamentala behov av mer grundforskning även en rad förändringar och praktiska rekommendationen till det klimatmodellerande forskarsamhället. 4d. Rekommendationer Vår diskussion ovan leder oss till följande rekommendationer: 1. Erkänn nödvändigheten av bättre förståelse för hur Jordsystemet fungerar i termer av grundläggande fysikaliska principer belysta av användningen av ett spektrum av modeller, teorier och koncept av varierande komplexitet. För att göra det måste forskarsamhället undvika illusionen att förbättrad bedömning av

28 28 klimatförändringar förutsätter mer komplexa modeller för det. Trettio års erfarenheter av klimatförändringsforskning pekar på att bristande förståelse förblir det största hindret för framgång, och att ofta det som utelämnas i en modell är en bättre indikator på vår förståelse än det som tas med. I strävan att koppla klimatprognoser till vår förståelse är främjandet och inkluderandet av starkt idealiserade eller förenklade experiment i modelljämförelser av vital betydelse. Mycket sammansatt och komplex modellering spelar en viktig roll i detta spektrum av modellaktiviteter, men det ska inte ses som ett mål i sig som summerar alla andra klimatmodellstudier. 2. Främja forskning ägnad åt bättre förståelse av interaktionen mellan moln- och fuktprocesser och den allmänna cirkulationen. Forskning sedan Charneyrapporten har visat att sådan förståelse är nyckeln till (i) att bättre kunna bedöma hur antropogena krafter den hydrologiska cykeln, storskaliga mönster för och regionala förändringar av nederbörd, och klimatets naturliga förändringar; (ii) att kunna förstå systematiska fel i modellsimulationer på både regional och global nivå; (iii) att förstå förbindelsemekanismer och möjliga källor till klimatförutsägbarhet över ett stort spann av tidsskalor (från årstider till decennier); och (iv) att förstå och kunna förutsäga biogeokemiska återkopplingar i klimatsystemet. 3. Främja forskning för förbättrar det fysikaliska innehållet i sammansatta GCMs, i synnerhet när det gäller representationen av fundamentala processer som värmetransport, molnbildning, havsskiktning och vattencykeln på land. Detta är nödvändigt för att adressera luckorna i vår förståelse, då våra modeller i många avseenden förblir inadekvata i förhållande till viktiga frågor i våra två första rekommendationer. Mera allmänt bör modellmisslyckanden att simulera observerade klimatdrag ses som möjligheter att förbättra vår förståelse av klimatet, och för att förbättra vår bedömning av modellprojektioners tillförlitlighet. WCRP bör aktivt understödja forskarsamhället att ta itu med gamla svåra problem såväl som nya, ännu ej kartlagda. En strategi för detta kan innehålla Klimatprocess-team som nu används i USA. 4. Prioritera forskningsinsatser och experimentella metoder som underlättar identifikationen av vilka processer som är robusta i motsats till sådana som leder till den största osäkerhet i projektioner, och använd denna information för att vägleda framtida forskning och för att identifiera behov av särskilda undersökningar. När klimatprojektioner från multimodellsammanställningar analyseras bör större tonvikt läggas vid att identifiera robusta förlopp och tolka dem på grundval av fysikaliska principer.

29 29 Analys av skilda resultat av olika modeller bör också uppmuntras, i synnerhet i den mån sådana analyser utvecklar en fysikalisk tolkning av skillnaderna mellan modeller. I detta syfte bör utvecklingen av nya angreppsvinklar eller analysmetoder som kopplar förloppen i komplexa modeller till koncept, teorier och förlopp i enklare modeller understödjas kraftfullt. Denna destillationsprocess är central för vetenskaplig framgång, och därmed vital för vår disciplin. 5. Slutsats Samhällets stora efterfrågan på regionala klimatförutsägelser sammanfaller med den stora vetenskapliga utmaning forskningssamhället har att möta. Klimatförutsägelse är fortfarande i hög grad ett ämne för utforskning. Till skillnad från väderprognoser är möjligheterna att utvärdera förutsägelser mot observerade förändringar mycket begränsad, och det finns än så länge lite som tyder på att högre upplösning och komplexitet i klimatmodellerna är ändamålsenligt för att minska osäkerheten i klimatprognoser. Därför, vilket demonstreras av den imponerande hållbarheten i Charneyrapportens slutsatser, kommer i den överblickbara framtiden trovärdigheten i våra modellprojektioner och vår förmåga att förutse framtida klimatförändringar i första hand att bero på vår förmåga att stärka den grundläggande fysikaliska förståelsen för hur klimatsystemet fungerar. Klimatmodellering, tillsammans med empiriska studier och teori, spelar en viktig roll i denna strävan. I synnerhet kommer vår förmåga att bättre förstå klimatets dynamik och fysik att bero på strävan att förstärka den fysikaliska basen för allmänna cirkulationsmodeller, att utveckla och använda ett spektrum av modeller av olika komplexitet och upplösning, och att utforma förenklade numeriska experiment som fokuserar på särskilda vetenskapliga frågor. Ökad takt för framsteg inom klimatforskningen och för kvaliteten i bedömningar av klimatförändringar är inte bara till fördel för forskningen utan också för klimattjänster och alla sektorer av samhället som behöver vägledning om framtida klimatförändringar. En aspekt av grundforskning som ofta förbises är dess roll för att erbjuda ett ramverk för att svara på frågor som beslutsfattare måste ta hänsyn till härvidlag är strävan efter bättre förståelse kritisk för den allmänna samhällsutvecklingen. Slutligen och mer praktiskt: för att säkerställa att mängden bedömningar verkligen är i takt med forskningens framsteg, vilken kan variera från en fråga till en annan, föreslår vi att WCRP i framtiden får spela en större roll för att organisera fokuserad vetenskaplig bedömning av olika aspekter av klimatförändringarna.

30 Referenser 30

31 31

32 32

33 33