Een nieuwe generatie klimaatmodellen

11 augustus 2020

Auteurs:

klimaatverandering

Kennis

FOTO: NOAA/UNSPLASH

In 2021 komt het IPCC met een nieuw rapport voor klimaatbeleid, gebaseerd op een nieuwe generatie klimaatmodellen van het Climate Model Intercomparison Project (CMIP6). Deze nieuwe generatie voorspelt in vergelijking met de vorige generatie CMIP5 een grotere toename in temperatuur aan het eind van deze eeuw. Waar komt dit door?

De mondiale temperatuur stijgt. Onderzoekers houden die stijging bij met metingen en klimaatmodellen. Die vergelijken zij met elkaar om een zo goed mogelijk beeld te hebben van de situatie en om verwachtingen voor de toekomst te berekenen. Deze modellen worden continu verbeterd. In de nieuwste versie voorspellen klimaatmodellen een grotere stijging van de temperatuur aan het eind van deze eeuw dan in eerdere versies. Hoe kan dit? Is in de tussentijd de temperatuur zoveel gestegen? Of hebben de oudere modellen de toename onderschat?

CMIP

De vergelijking gebeurt in het Climate Model Intercomparison Project (CMIP). Aan dit project werken meer dan dertig onderzoeksgroepen met in totaal meer dan duizend wetenschappers mee. Deze modellen op mondiale schaal worden veel gebruikt door het IPCC, het Intergovernmental Panel on Climate Change. Deze werkgroep van de VN stelt elke paar jaar een rapport op waarin onder andere de gevolgen van klimaatverandering beschreven worden. Dit kan vervolgens gebruikt worden voor het maken van klimaatbeleid. Voor het komende IPCC-rapport dat gepland staat voor 2021 wordt de nieuwste versie van CMIP gebruikt, namelijk CMIP6.

Ander beginjaar

Niet alle modellen starten hun voorspellingen in hetzelfde jaar. Nieuwere modellen starten later: er is dan immers meer data beschikbaar uit het verleden. Tussen de modelversies van CMIP zit dan ook een verschil van tien jaar. Als de temperatuurstijging in deze tien jaar onderschat is door de oudere modellen, zou dat kunnen verklaren waarom de totale temperatuurstijging toen lager uitkwam. Dit blijkt echter niet het geval. Zit er dan een ander verschil tussen de modelversies?

Modellen verschillen

Niet elk model heeft dezelfde opzet. De modellen verschillen in resolutie en nemen niet altijd dezelfde processen mee. De meeste CMIP6-modellen hebben een hogere resolutie dan hun voorgangers, of nemen extra processen mee.

Hier zijn twee redenen voor. Ten eerste groeit onze kennis over het klimaatsysteem. Daarnaast worden onze computers steeds sneller en beter. Computers met een groter geheugen kunnen meer data verwerken. Hierdoor worden de modellen steeds beter in het weergeven van het huidige klimaatsysteem en tegelijkertijd worden de voorspellingen daardoor steeds beter. De voorspelde toename in temperatuur ten opzichte van de voorspelling van tien jaar geleden komt dus niet door een toename in de tussentijdse temperatuur, maar door een verbetering van de modellen.

Werking klimaatmodel

Aan de basis van elk klimaatmodel staan natuurkundige wetten en empirische gegevens. Er bestaan relatief simpele modellen, gebaseerd op vergelijkingen zoals een stralingsbalans die de hoeveelheid ontvangen straling van de zon relateert aan de uitgaande straling vanaf de aarde. Helaas kunnen we met dit soort modellen het klimaat niet goed voorspellen. Daarvoor hebben we ingewikkeldere modellen nodig. Bijvoorbeeld modellen die zijn gebaseerd op de Navier-Stokes vergelijkingen (zie kader), die stromingen in vloeibare stoffen beschrijven. Deze vergelijkingen vormen de basis voor een algemeen circulatiemodel. Dit veelgebruikte modeltype wordt ook gebruikt door CMIP en het IPCC.

Navier-Stokes

De Navier-Stokesvergelijking bestaat uit een set vergelijkingen die de bewegingen in vloeistoffen, gassen en plasma’s beschrijven. Dit kunnen stromingen zijn in de lucht, maar ook in de oceanen of zelfs een kopje thee. Deze vergelijkingen worden dan ook niet alleen gebruikt voor weer- en klimaatmodellen, maar ook voor bijvoorbeeld het ontwerpen van vliegtuigen, schepen en auto’s, of het stromen van bloed door aderen.

FOTO: NASA

Verschil tussen oude en nieuwe foto, op dit voorbeeld zien we de planeet Pluto. Meer pixels dus scherper beeld.

Het klimaat is niet overal op aarde precies hetzelfde. Daarom wordt de aarde opgedeeld met een driedimensionaal raster. Zo worden het aardoppervlak, de atmosfeer en de oceanen verdeeld in cellen. Net als pixels bij een foto (zie voorbeeld van Pluto) betekent een hoger aantal cellen hier ook dat er meer details weergegeven kunnen worden. Per cel worden door het model allerlei berekeningen uitgevoerd. Dit gebeurt voor elke variabele, bijvoorbeeld temperatuur en neerslag, en voor elke tijdstap. Deze data kan vervolgens gebruikt worden voor klimaatvoorspellingen.

Klimaatprojecties

Klimaatvoorspellingen worden gedaan aan de hand van verschillende klimaatscenario’s. Elk scenario is gerelateerd aan een bepaalde stralingsforcering van met name CO2. De stralingsforcering geeft het verschil weer tussen de hoeveelheid ontvangen straling van de zon en de uitgaande straling vanaf de aarde. Meer broeikasgassen zoals CO2 in de atmosfeer zorgen voor een sterker broeikaseffect. Er wordt dan meer straling gevangen in de atmosfeer, dus de stralingsforcering is hoger. Hierdoor stijgt de temperatuur.

Onder één van de klimaatscenario’s met een lage stralingsforcering komt de temperatuurstijging uit op 1.5°C aan het eind van deze eeuw. Deze temperatuur staat ook als doel in het klimaatakkoord van Parijs van de VN. Om dit te bereiken, zullen we onze samenleving sterk moeten verduurzamen.

Een klimaatscenario met een hogere stralingsforcering komt uit op een temperatuurstijging van 5°C aan het eind van deze eeuw. Om een idee te geven van hoeveel warmer dit eigenlijk is: temperaturen tijdens een ijstijd lagen 4 tot 5°C lager dan nu. Een toename van 5°C betekent dus echt een grote verandering in het klimaat. Hierbij zal een groot deel van de gletsjers en ijskappen verdwijnen, en daarmee zal de zeespiegel flink stijgen. Als we, net zoals we nu doen, voornamelijk gebruik blijven maken van fossiele energie, dan is dit een realistisch scenario.

Alhoewel de voorspelde temperaturen van beide klimaatscenario’s iets lager waren bij de oudere modellen, is er één grote overeenkomst tussen de modelversies: de temperatuur op aarde stijgt en als wij niets doen, zien het klimaat en onze wereld er in de toekomst heel anders uit.

De gereconstrueerde temperaturen uit het verleden zijn bijna hetzelfde voor de oudere CMIP5 (onderbroken lijn) en de nieuwere CMIP6 (doorgetrokken lijn) modellen. De voorspelde temperaturen van CMIP6 liggen wel duidelijk hoger dan voor CMIP5. De lijnen laten het gemiddelde van de modellen zien; de gearceerde gebieden geven de standaardafwijking weer en daarmee de variabiliteit tussen de modellen.

De verandering in temperatuur tussen 1850 en 2100 weergegeven ten opzichte van het gemiddelde over de periode 1986-2005 (zwarte box). Een positieve temperatuurverandering betekent dus dat de temperatuur hoger ligt dan de gemiddelde temperatuur tussen 1986 en 2005.

De gereconstrueerde temperaturen uit het verleden zijn bijna hetzelfde voor de oudere CMIP5 (onderbroken lijn) en de nieuwere CMIP6 (doorgetrokken lijn) modellen. De voorspelde temperaturen van CMIP6 liggen wel duidelijk hoger dan voor CMIP5. De lijnen laten het gemiddelde van de modellen zien; de gearceerde gebieden geven de standaardafwijking weer en daarmee de variabiliteit tussen de modellen.

BRONNEN