دانشمندان پیش بینی های گرمایش جهانی در آینده را با استفاده از مدل های آب و هوایی افزایش پیچیدگی در چهار دهه گذشته پیش بینی کرده اند.

این مدلها، که توسط فیزیک اتمسفر و بیوگرافی شیمی انجام می شود، نقش مهمی را در درک ما از آب و هوای زمین بازی می کنند و این که چگونه در آینده احتمالا تغییر خواهد کرد.

کربن مختصات پیش بینی های مدل های آب و هوایی مهم را از 1973 به دست آورده است تا ببینند که چگونه دمای آب های گذشته و آینده، به عنوان انیمیشن در زیر نشان داده شده است. (برای شروع، روی دکمه بازی کلیک کنید.)

در حالیکه برخی از مدلها از گرم شدن پیش بینی کرده اند نسبت به ما تجربه کرده اند و برخی نیز بیشتر پیش بینی کرده اند، همه نشان می دهد که دمای سطح بین 1970 و 2016 که خیلی از آنچه که در واقع اتفاق افتاده، خیلی زیاد نیست، به ویژه هنگامی که تفاوت های موجود در آینده مورد توجه قرار گیرد.

مدل های آب و هوایی گذشته چگونه به وجود آمده است؟

در حالی که پیش بینی های مدل های آب و هوایی گذشته از دانش غلظت گازهای گلخانه ای، فوران آتشفشانی و دیگر موارد سود می برد نیروهای تابشی تأثیر بر آب و هوای زمین، تبدیل شدن به آینده در آینده، قابل فهم بیشتر است. مدل های آب و هوایی را می توان بر روی توانایی آنها برای پیش بینی دمای پیش بینی شده و پیش بینی های آینده ارزیابی کرد.

Hinds - مدل های تست در برابر درجه حرارت گذشته - مفید هستند زیرا آنها می توانند برای نیروهای شعاعی کنترل کنند. پیش بینی ها مفید هستند زیرا مدل ها نمی توانند باشند به طور ضمنی تنظیم شده است شبیه به مشاهدات است. مدل های آب و هوا به دمای تاریخی مناسب نیستاما مدلسازان برخی از دانش مشاهدات را می توانند داشته باشند اطلاع خود را انتخاب کنید of پارامترهای مدل، مانند فیزیک ابر و اثرات آئروسل.

در نمونه های زیر، پیش بینی های مدل آب و هوایی بین 1973 و 2013 منتشر شده در مقایسه با دمای مشاهده شده از پنج سازمان مختلف. مدل های مورد استفاده در این طرح ها از پیچیدگی متنوعی برخوردار است مدل های تعادل انرژی به طور کامل همراه مدل های سیستم زمین.

(توجه داشته باشید، این مقایسه های مدل / مشاهدات از یک دوره پایه از 1970-1990 استفاده می کند تا مشاهدات و مدل ها را در طول سال های اولیه تحلیل تجزیه و تحلیل کند، که نشان می دهد که چگونه دما در طول زمان بیشتر واضح می شود.)

Sawyer، 1973

یکی از اولین پیش بینی های گرم شدن آتی، از یکی بود جان سویر در دفتر مت در انگلستان در 1973. در یک مقاله منتشر شده در طبیعت در 1973، او فرض کرد که جهان 0.6C را بین 1969 و 2000 گرم می کند و CO2 اتمسفر با 25٪ افزایش می یابد. Sawyer برای یک استدلال کرد حساسیت به آب و هوا - چقدر گرم شدن طولانی مدت در هر دو برابر شدن سطح CO2 جوی - رخ می دهد 2.4C، که خیلی دور از بهترین تخمین از 3C که امروز توسط هیئت بین دولتی تغییرات آب و هوایی (IPCC) مورد استفاده قرار می گیرد.

بر خلاف پیش بینی های دیگر که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است، Sawyer هر ساله یک گرمایش تخمینی را ارائه می دهد، فقط ارزش 2000 انتظار می رود. برآورد گرمایی آن از 0.6C تقریبا نقطه ای بود - گرمایش مشاهده شده در آن دوره بین 0.51C و 0.56C بود. او در سال جاری غلظت CO2000 جوی 2 را برآورد کرد، با این حال، فرض بر این است که 375-400ppm - در مقایسه با واقعی ارزش 370ppm.

Broekker، 1975

اولین پیش بینی در دسترس بودن دمای آینده به دلیل گرمایش جهانی، در مقاله در علم در 1975 منتشر شده توسط دانشمند دانشگاه کلمبیا پروفسور واللی بروکر. Broekker با استفاده از مدل توازن انرژی ساده اگر CO2 اتمسفر پس از 1975 به سرعت افزایش یابد، چه اتفاقی خواهد افتاد تا دمای زمین. گرمایش پیش بینی شده Broekker نزدیک به چندین دهه به مشاهدات نزدیک بود اما اخیرا به میزان قابل توجهی بالاتر بوده است.

این عمدتا به دلیل براکر است که بیش از پیش ارزیابی می کند که چگونه انتشار گازهای CO2 و غلظت اتمسفر پس از انتشار مقاله او افزایش می یابد. او نسبت به 2000 دقیق بود، پیش بینی 373ppm از CO2 - در مقایسه با مشاهدات واقعی Mauna Loa از 370ppm. در 2016، با این حال، او برآورد کرد که CO2 424ppm است، در حالی که تنها 404 PM دیده شده است.

Broekker همچنین در مدل خود از دیگر گازهای گلخانه ای استفاده نکرد. با این حال، به عنوان تاثیر گرم شدن از متان, اکسید نیتروژن و هالوکربن ها بوده است تا حد زیادی لغو شد توسط تأثیر کلی خنک کننده آئروسل ها از آنجا که 1970، این تفاوت بزرگ را ایجاد نمی کند (هرچند برآورد نیروهای آئروسل است عدم اطمینان زیادی دارند).

همانند ساییر، براکر از حساسیت محدودهی محیطی 2.4C برای هر دو برابر شدن CO2 استفاده کرد. Broekker فرض کرد که زمین بلافاصله گرم می شود تا CO2 جوی را مطابقت دهد، در حالی که مدل های مدرن، انحراف بین این که سرعت جو و اقیانوس ها چگونه گرم می شود، مطرح است. (جذب گرماي آهسته توسط اقیانوس ها اغلب به عنوان "اینرسی حرارتی"از سیستم آب و هوا.)

شما می توانید طرح خود (خط سیاه) را در مقایسه با افزایش درجه حرارت مشاهده شده (خطوط رنگی) در نمودار زیر مشاهده کنید.

گرم شدن پیش بینی شده از Broekker 1975 (خط سیاه ضخیم) در مقایسه با پرونده های دما مشاهده شده از ناسا, NOAA, HadCRUT, کوتان و راهو زمین در برکلی (خطوط رنگ نازک) از 1970 به 2020. دوره پایه 1970-1990. نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

Broekker طرح خود را در زمانی که دانشمندان به طور گسترده ای فکر که مشاهدات ساخته شده است خنک کننده مداوم نشان داد از زمین. او مقاله خود را با پیشگویی اعلام کرد که "یک مورد قوی می تواند ثابت شود که روند خنک کننده در حال حاضر طی یک دهه یا بیشتر به گرم شدن ناشی از دی اکسید کربن منجر خواهد شد."

هانسن و همکاران، 1981

ناسا دکتر جیمز هانسن و همکارانش چاپ مقاله در 1981 که از یک مدل تعادل انرژی ساده برای گرم کردن آینده استفاده کرده است، اما به خاطر نفوذ گرما در اقیانوس، به دلیل حرارتی ناشی از آن است. آنها حساسیت محیطی 2.8C را در هر دو برابر شدن CO2 فرض کردند، بلکه در تعدادی از 1.4-5.6C در هر دوبرابر مشاهده کردند.

گرم شدن پیش بینی شده از هانسن و همکاران 1981 (رشد سریع خط سیاه سیاه و رشد آهسته، خط خاکستری نازک). نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

هانسن و همکارانش تعدادی از سناریوهای مختلف را ارائه می دادند که در آن، انتشار های آینده و حساسیت به آب و هوا متفاوت بود. در نمودار فوق شما می توانید هر دو سناریو "سریع رشد" (خط سیاه ضخیم) را ببینید، که CO2 در سال بعد از 4 افزایش 1981٪ و سناریوی رشد کند که در آن میزان انتشار توسط 2٪ سالانه (خط نازک خاکستری ) سناریو سریع رشد تا حدودی بیش از میزان انتشار فعلی را بیش از پیش ارزیابی می کند، اما با ترکیب کمی با حساسیت کمتری آب و هوایی، برآورد گرمایش اولیه 2000 ها نزدیک به مقادیر مشاهده شده است.

میزان کلی گرمایش بین 1970 و 2016 که توسط Hansen و همکارانش در 1981 پیش بینی شده در سناریو رشد سریع، در حدود 20٪ کمتر از مشاهدات بوده است.

هانسن و همکاران، 1988

La مقاله منتشر شد توسط Hansen و همکارانش در 1988 یکی از اولین مدل های آب و هوای مدرن بود. این جهان را به سلول های شبکه گسسته 8 درجه عرض جغرافیایی تقسیم کرد با طول عمر درجه 10 و نه لایه عمودی اتمسفر. این شامل اسپری ها، گازهای مختلف گلخانه ای علاوه بر CO2 و دینامیک پایه ابر بود.

هانسن و همکاران، سه سناریو متفاوت با انتشار گازهای گلخانه ای مختلف در آینده ارائه دادند. سناریو B در نمودار زیر به عنوان خط سیاه ضخیم نشان داده شده است، در حالی که سناریوهای A و C با خطوط خاکستری نازک نشان داده شده است. سناریو A دارای رشد چشمگیر در انتشار گازهای گلخانه ای، با CO2 و سایر غلظت های GHG بود که به میزان قابل توجهی بالاتر از امروز است.

گرم شدن پیش بینی شده از هانسن و همکاران 1988 (سناریوی خط B و ضخامت خط سیاه A و C و نازک و خطوط خاکستری خرد شده). نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

سناریو B فرض کاهش تدریجی انتشار CO2 را در بر داشت، اما غلظت آن را داشت 401ppm در 2016 که خیلی نزدیک به 404ppm مشاهده شد. با این حال، سناریو ب رشد دائمی انتشار هالوکربن های مختلفی را که گازهای گلخانه ای قوی دارند، تصویب کرد، اما بعد از آن تحت پروتکل مونترال از 1987 سناریوی C پس از سال 2000 انتشار گازهای گلخانه ای نزدیک به صفر بود.

از سه مورد، سناریو B نزدیکترین نیروی تابشی شدید بود، هرچند هنوز در مورد 10٪ خیلی زیاد است. هانسن و همکاران نیز با استفاده از یک مدل با حساسیت محیطی 4.2C برای دو برابر کردن CO2 - در پایان بالا از مدل های مدرن آب و هوا. با توجه به ترکیبی از این عوامل، سناریو B میزان گرمایی بین 1970 و 2016 را پیش بینی کرد که تقریبا 30٪ بیشتر از آنچه مشاهده شده بود را نشان می دهد.

گزارش ارزیابی اولیه IPCC، 1990

IPCC گزارش ارزیابی اول (FAR) در 1990، مدل های اقیانوس افقی توزیع انرژی نسبتا ساده و ساده را برای برآورد تغییرات در دمای هوای جهانی نشان می دهد. سناریوی برجسته تجاری (BAU) آنها رشد سریع CO2 جوی را به دست آورد و به 418ppm CO2 در 2016 نسبت به 404ppm در مشاهدات رسید. FAR همچنان ادامه رشد غلظت هالوكربن اتمسفر را بسیار سریعتر از آنچه واقعا رخ داده است فرض كرد.

FAR بهترین تخمین حساسیت به آب و هوا را به عنوان 2.5C گرم شدن برای دو برابر CO2، با طیف وسیعی از 1.5-4.5C ارائه داد. این تخمین ها به سناریوی BAU در شکل زیر اعمال می شود، با خط سیاه ضخیم نشان دهنده بهترین برآورد و خطوط سیاه و سفید نازک نشان دهنده پایین و بالا پایان محدوده حساسیت هوا است.

گرم شدن پیش بینی شده از گزارش ارزیابی اولیه IPCC (خط خط سیاه ضخامت متوسط، با سطوح بالا و پایین نشان داده شده توسط خطوط سیاه نازک نقطه ای). نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

با وجود بهترین برآورد حساسیت به آب و هوا کمی پایین تر از 3C امروز استفاده شده است، FAR میزان گرمایش بین 1970 و 2016 را در حدود سن 17٪ در سناریوی BAU بیش از حد افزایش داده است، نشان می دهد که گرم شدن 1C در آن دوره نسبت به 0.85C مشاهده شده است. این عمدتا به دلیل پراکندگی غلظت CO2 در جو زمین بسیار بالاتر از آن است که در واقع رخ داده است.

گزارش ارزیابی دوم IPCC، 1995

IPCC گزارش ارزیابی دوم (SAR) فقط طرح پیش بینی های قابل دسترس از 1990 به بعد منتشر شد. آنها از حساسیت آب و هوایی 2.5C، با طیف وسیعی از 1.5-4.5C استفاده کردند. سناریوی انتشار اواسط محدوده، IS92a، میزان CO2 405ppm در 2016 را پیش بینی کرده است، تقریبا مشابه با غلظت های مشاهده شده. SAR همچنین شامل درمان های بسیار بهتر از آئروسل های انسانی است که تأثیرات خنک کننده بر آب و هوا دارند.

 گرم شدن پیش بینی شده از گزارش دومین ارزیابی IPCC (خط سیاه متوسط ​​ضعیف، با مرزهای بالا و پایین نشان داده شده توسط خطوط سیاه نازک نقطه ای). نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

همانطور که در نمودار بالا دیده می شود، پیش بینی های SAR به طور قابل توجهی پایین تر از مشاهدات بود، که نسبت به 28٪ نسبت به 1990 به 2016 گرم تر می شد. این احتمالا به دلیل ترکیبی از دو عامل بود: حساسیت کمتری نسبت به شرایط موجود در برآوردهای مدرن (2.5C در برابر 3C) و بیش از حد از تابش تابشی CO2 (4.37 وات در هر متر مربع در مقابل 3.7 که در گزارش بعدی IPCC استفاده می شود و هنوز هم استفاده می شود امروز).

گزارش ارزیابی سوم IPCC، 2001

IPCC گزارش ارزیابی سوم (TAR) بر اساس مدلهای گردش خون کلی اقیانوس (GCMs) از هفت گروه مختلف مدل سازی استفاده شد. آنها همچنین مجموعه جدیدی از سناریوهای انتشار اجتماعی-اقتصادی را معرفی کردند SRESکه چهار مسیر مختلف انتشار آینده را شامل می شود.

در اینجا، کربن خلاصه ای را بررسی می کند سناریوی A2، هرچند همه مسیرهای گرمایش و گرمایش نسبت به 2020 نسبتا مشابه هستند. سناریو A2 یک 2016 اتمسفر CO2 غلظت 406 ppm پیش بینی کرد، تقریبا همان چیزی است که مشاهده شد. سناریوهای SRES از 2000 به جلو بود، با مدل های قبل از سال 2000 با استفاده از قایق های تاریخی برآورد شده. خط نقاشی خاکستری در شکل بالا نشان دهنده نقطه ای است که در آن مدل ها از انتقال اکسایش و غلظت های مشاهده شده به پیش بینی های آینده استفاده می کنند.

گرم شدن پیش بینی شده از گزارش ارزیابی سوم IPCC (متوسط ​​خط سیاه سیاه و سفید، با مرزهای بالا و پایین نشان داده شده توسط خطوط سیاه نازک خال خال). نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

طرح پیشنهادی TAR از یک مدل آب و هوایی ساده استفاده کرد که برای خروجی های متوسط ​​هفت GCM پیچیده تر مطابقت داشت، زیرا هیچ میانگین میانگین چندجمله ای در TAR منتشر نشده بود و داده هایی که برای مدل های فردی به آسانی قابل دسترس نیستند. این دارای حساسیت محیطی 2.8C در هر دو برابر شدن CO2، با طیف وسیعی از 1.5-4.5C است. همانطور که در نمودار بالا نشان داده شده است، میزان گرمایش بین 1970 و 2016 در TAR در حدود 14٪ کمتر از آنچه که در واقع مشاهده شده است.

گزارش ارزیابی چهارم IPCC، 2007

IPCC گزارش ارزیابی چهارم (AR4) مدل های برجسته ای با دینامیک اتمسفری و وضوح مدل را به طور قابل توجهی بهبود داده است. این استفاده بیشتر از مدل های زمین سیستم - که شامل بیوگرافی مواد شیمیایی چرخه کربن - و همچنین شبیه سازی بهبود سطح زمین و فرایندهای یخ استفاده می شود.

AR4 با استفاده از سناریوهای SRES همانند TAR، با انتشارات تاریخی و غلظت جوی به سال 2000 و پیش بینی ها پس از آن. مدل های مورد استفاده در AR4 حساسیت محیطی 3.26C با محدوده 2.1C تا 4.4C داشتند.

گرم شدن پیش بینی شده از گزارش ارزیابی چهارم IPCC (متوسط ​​خط سیاه ضخیم، خطوط بالایی و پایین دو سیگما نشان داده شده توسط خطوط سیاه نازک نقطه). نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

شکل بالا نشان می دهد که مدل برای سناریو A1B اجرا می شود (که تنها سناریو است که مدل به راحتی در دسترس است، هرچند 2016 CO2 آن تقریبا یکسان است با سناریو A2). پیش بینی های AR4 بین 1970 و 2016 گرم شدن را کاملا نزدیک به مشاهدات نشان می دهد، تنها 8٪ بالاتر است.

پنجمین گزارش ارزیابی IPCC، 2013

جدیدترین گزارش IPCC - ارزیابی پنجم (AR5) - دارای پیشرفتهای بیشتری در مدل های آب و هوایی و نیز کاهش جزئی در عدم اطمینان مدل آینده در مقایسه با AR4 است. مدل آب و هوا در آخرین گزارش IPCC بخشی از پروژه همگام سازی مدل همگام 5 (CMIP5)، که در آن ده ها گروه مختلف مدل سازی در سراسر جهان مدل های آب و هوایی را با استفاده از مجموعه ای از ورودی ها و سناریو ها اجرا می کنند.

گرم شدن پیش بینی شده از گزارش پنجمین گزارش IPCC (متوسط ​​خط سیاه ضخیم، مرزهای بالا و پایین دو سیگما با خطوط نازک خال خال) نشان داده شده است. خط سیاه سیاه و سفید نشان داده شده است. نمودار با استفاده از کربن مختصر Highcharts.

AR5 مجموعه جدیدی از سناریوهای غلظت گازهای گلخانه ای آینده را معرفی کرد که به نام مسیرهای غلظت نماینده (RCPs). این پیش بینی های آینده از 2006 به بعد، با داده های تاریخی قبل از 2006 است. خط قرمز خاکستری در شکل بالا نشان می دهد که کدام مدل از انتقال نیروهای مشاهده شده به نیروهای پیش بینی شده آینده استفاده می کند.

مقایسه این مدل ها با مشاهدات می تواند یک باشد ورزش تا حدودی دشوار است. اغلب زمینه های استفاده شده از مدل های آب و هوایی، درجه حرارت هوا در سطح جهانی هستند. با این حال، درجه حرارت مشاهده شده از درجه حرارت هوا در سطح بالای سطح زمین و سطح دریا بیش از اقیانوس است.

به تازگی، برای محاسبه این موضوع، محققان زمینه های مدل های ترکیبی ایجاد کرده اند که شامل دمای سطح دریا در امتداد اقیانوس ها و دمای هوا بر روی سطح زمین است تا مطابقت آنچه که در مشاهدات در واقع اندازه گیری شده است. این زمینه های مخلوط، نشان داده شده توسط خط نقاط در شکل بالا نشان می دهد گرم شدن نسبت به درجه حرارت هوا در سطح جهانی، به عنوان مدل های هوا بیش از گرم شدن اقیانوس سریع تر از درجه حرارت سطح دریا در سال های اخیر.

دمای هوا در سطح جهانی در مدل های CMIP5 در حدود 16٪ سریعتر از مشاهدات از 1970 گرم شده است. در مورد 40٪ از این تفاوت به علت دمای هوا بیش از گرم شدن اقیانوس سریعتر از دمای سطح دریا در مدل؛ زمینه های مدل ترکیبی تنها نشان می دهد که 9 گرم شدن٪ سریعتر از مشاهدات است.

A مقاله اخیر در طبیعت by Iselin Medhaug و همکارانش نشان می دهد که باقی مانده از واگرایی را می توان با ترکیبی از تنوع طبیعی کوتاه مدت (عمدتا در اقیانوس آرام)، آتشفشان های کوچک و خروجی خورشیدی کمتر از حد انتظار، که در مدل های پسماند آنها وجود نداشت، پیش بینی 2005.

در زیر خلاصه ای از تمام مدل های کربن خلاصه شده است. جدول زیر نشان می دهد که تفاوت میزان گرمایش بین هر مدل یا مجموعه ای از مدل ها و ناسا مشاهدات درجه حرارت. تمام پرونده های درجه حرارت مشاهدات نسبتا مشابه است، اما ناسا از جمله گروه هایی است که پوشش های کامل جهانی را در سال های اخیر در بر می گیرد و بنابراین به طور مستقیم با داده های مدل های آب و هوایی قابل مقایسه است.

* اختلاف روند SAR در طول دوره از 1990-2016 محاسبه می شود، زیرا تخمینی قبل از 1990 به آسانی در دسترس نیست.
# تفاوت در پرانتز بر اساس مدل های مخلوط زمین / اقیانوس

نتیجه

مدل های آب و هوایی منتشر شده از زمان 1973 به طور کلی در طراحی گرم شدن آفتاب بسیار ماهر بوده است. در حالیکه بعضی از آنها خیلی کم و بعضی خیلی زیاد بودند، همه آنها نتایجی را که به طور منطقی نزدیک به آنچه که در واقع رخ داده است، نشان می دهد، به ویژه هنگامی که اختلاف بین غلظت CO2 پیش بینی شده و واقعی و سایر موارد آب و هوایی در نظر گرفته می شود.

مدل ها به دور از پیشرفت هستند و در طول زمان بهبود می یابند. آنها همچنین طیف وسیعی از گرم شدن آینده را نشان می دهند آسان نیست با استفاده از فقط تغییرات در آب و هوا که مشاهده کردیم.

با این وجود، نزدیک بودن بین گرمای پیش بینی شده و مشاهده شده از 1970 نشان می دهد که برآورد گرمایش آتی ممکن است به همان اندازه دقیق باشد.

یادداشت متدولوژی

دانشمند محیط زیست دانا نوچیتیلی با کمک لیستی از مقایسه مقایسه مدل / مشاهده گذشته، در دسترس است اینجا کلیک نمایید. نرم افزار PlotDigitizer برای به دست آوردن مقادیر از ارقام قدیمی استفاده می شود، زمانی که داده ها در دسترس نبودند. داده های مدل CMIP3 و CMIP5 از KNMI اکسپلورر آب و هوا.

این مقاله در ابتدا در ظاهر کربن مختصر

درباره نویسنده

Zeke Hausfather تحقیق در زمینه علم و فناوری آب و هوا را با توجه به تمرکز ایالات متحده بررسی می کند. Zeke دارای مدرک کارشناسی ارشد در علوم محیط زیست از دانشگاه ییل و Vrije Universiteit آمستردام است، و در حال تکمیل یک دکترا در علم آب و هوا در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است. او سال های گذشته 10 را به عنوان یک دانشمند داده و کارآفرین در بخش Cleantech کار کرده است.

کتاب های مرتبط

at InnerSelf Market و آمازون