¿Qué tan bien han proyectado los modelos climáticos del calentamiento global?

¿Qué tan bien han proyectado los modelos climáticos del calentamiento global?Los científicos han estado haciendo proyecciones del calentamiento global futuro utilizando modelos climáticos de complejidad creciente durante las últimas cuatro décadas.

Estos modelos, impulsados ​​por la física atmosférica y la biogeoquímica, desempeñan un papel importante en nuestra comprensión del clima de la Tierra y cómo es probable que cambie en el futuro.

Carbon Brief ha recopilado importantes proyecciones de modelos climáticos desde 1973 para ver qué tan bien proyectan las temperaturas globales pasadas y futuras, como se muestra en la siguiente animación. (Haga clic en el botón de reproducción para comenzar).

Si bien algunos modelos proyectaron menos calentamiento del que hemos experimentado y otros proyectaron más, todos mostraron aumentos de temperatura en la superficie entre 1970 y 2016 que no estaban muy lejos de lo que realmente ocurrió, particularmente cuando se toman en cuenta las diferencias en las emisiones futuras asumidas.

¿Cómo les ha ido a los modelos climáticos pasados?

Si bien las proyecciones de modelos climáticos del pasado se benefician del conocimiento de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera, las erupciones volcánicas y otros forzamientos radiativos Al afectar el clima de la Tierra, arrojar hacia el futuro es comprensiblemente más incierto. Los modelos climáticos pueden evaluarse tanto por su capacidad para hacer un pronóstico posterior de las temperaturas pasadas como para pronosticar las futuras.

Los hechizos posteriores (modelos de prueba contra temperaturas pasadas) son útiles porque pueden controlar los forzamientos radiativos. Los pronósticos son útiles porque los modelos no pueden ser sintonizado implícitamente Para ser similar a las observaciones. Los modelos climáticos son no se ajusta a las temperaturas históricas, pero los modeladores tienen algún conocimiento de las observaciones que pueden informar su elección of parametrizaciones del modelo, como la física de nubes y los efectos de aerosoles.

En los ejemplos a continuación, las proyecciones de modelos climáticos publicadas entre 1973 y 2013 se comparan con las temperaturas observadas desde cinco organizaciones diferentes. Los modelos utilizados en las proyecciones varían en complejidad, desde simples modelos de balance de energía a completamente acoplado Modelos del Sistema Terrestre.

(Tenga en cuenta que estas comparaciones modelo / observación utilizan un período de referencia de 1970-1990 para alinear las observaciones y los modelos durante los primeros años del análisis, lo que muestra cómo las temperaturas han evolucionado con el tiempo con mayor claridad).

Sawyer, 1973

Una de las primeras proyecciones de calentamiento futuro provino de John Sawyer en la Oficina Met del Reino Unido en 1973. en un Documento publicado en Nature. en 1973, planteó la hipótesis de que el mundo calentaría 0.6C entre 1969 y 2000, y que el CO2 atmosférico aumentaría en un 25%. Sawyer abogó por una sensibilidad climática - cuánto calentamiento a largo plazo se producirá al duplicar los niveles de CO2 en la atmósfera - de 2.4C, que no está demasiado lejos de la mejor estimado de 3C utilizado por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) en la actualidad.

A diferencia de las otras proyecciones examinadas en este artículo, Sawyer no proporcionó un calentamiento estimado para cada año, solo un valor 2000 esperado. Su estimación de calentamiento de 0.6C fue casi puntual: el calentamiento observado durante ese período fue entre 0.51C y 0.56C. Sin embargo, sobrestimó las concentraciones atmosféricas de CO2000 de 2, suponiendo que serían 375-400ppm, en comparación con las reales. valor de 370ppm.

Broecker, 1975

La primera proyección disponible de temperaturas futuras debidas al calentamiento global apareció en un artículo en Ciencia en 1975 publicado por el científico de la Universidad de Columbia Prof. Wally Broecker. Broecker utilizó un modelo de balance de energía simple para estimar qué pasaría con la temperatura de la Tierra si el CO2 atmosférico continuara aumentando rápidamente después de 1975. El calentamiento proyectado de Broecker estuvo razonablemente cerca de las observaciones durante algunas décadas, pero recientemente ha sido considerablemente mayor.

Esto se debe principalmente a que Broecker sobrestimó la forma en que las emisiones de CO2 y las concentraciones atmosféricas aumentarían después de que se publicara su artículo. Fue bastante preciso hasta 2000, prediciendo 373ppm de CO2, en comparación con las observaciones reales de Mauna Loa de 370ppm. En 2016, sin embargo, estimó que CO2 sería 424ppm, mientras que solo se ha observado 404 pm.

Broecker tampoco tuvo en cuenta otros gases de efecto invernadero en su modelo. Sin embargo, como el impacto del calentamiento de metano, Óxido nitroso y halocarburos ha sido cancelado en gran parte mediante el Influencia del enfriamiento global de los aerosoles desde 1970, esto no hace una gran diferencia (aunque las estimaciones de forzamientos de aerosol tienen grandes incertidumbres).

Al igual que con Sawyer, Broecker utilizó una sensibilidad climática de equilibrio de 2.4C por el doble de CO2. Broecker asumió que la Tierra se calienta instantáneamente para igualar el CO2 atmosférico, mientras que los modelos modernos explican el retraso entre la rapidez con que se calientan la atmósfera y los océanos. (La captación más lenta de calor por los océanos se conoce a menudo como la "Inercia térmica"Del sistema climático.)

Puede ver su proyección (línea negra) en comparación con el aumento de temperatura observado (líneas de color) en la tabla a continuación.

<br />

Calentamiento proyectado de Broecker 1975 (línea negra gruesa) en comparación con los registros de temperatura de observación de NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan y formay Berkeley Tierra (líneas finas de color) de 1970 a 2020. Período de referencia de 1970-1990. Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

Broecker hizo su proyección en un momento en que los científicos pensaban que las observaciones mostró un modesto enfriamiento de la tierra. Comenzó su artículo declarando de manera profética que "se puede argumentar con fuerza que la tendencia actual de enfriamiento dará lugar, dentro de una década, a un pronunciado calentamiento inducido por el dióxido de carbono".

Hansen et al, 1981

De la NASA Dr. James Hansen y colegas publicado un documento en 1981, que también usó un modelo simple de balance de energía para proyectar el calentamiento futuro, pero tuvo en cuenta la inercia térmica debida a la absorción de calor del océano. Asumieron una sensibilidad al clima de 2.8C por duplicar CO2, pero también observaron un rango de 1.4-5.6C por duplicación.

Calentamiento proyectado de Hansen et al 1981 (línea negra gruesa de crecimiento rápido y línea gris delgada de crecimiento lento). Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

Hansen y sus colegas presentaron varios escenarios diferentes, variando las futuras emisiones y la sensibilidad al clima. En la tabla anterior, puede ver tanto el escenario de "crecimiento rápido" (línea negra gruesa), donde las emisiones de CO2 aumentan en un 4% anualmente después de 1981, como un escenario de crecimiento lento donde las emisiones aumentan en 2% anualmente (línea gris delgada ). El escenario de rápido crecimiento sobreestima un poco las emisiones actuales, pero cuando se combina con una sensibilidad climática ligeramente más baja, proporciona una estimación del calentamiento temprano de 2000 cerca de los valores observados.

La tasa global de calentamiento entre 1970 y 2016 proyectada por Hansen et al en 1981 en el escenario de rápido crecimiento ha sido aproximadamente un 20% más baja que las observaciones.

Hansen et al, 1988

La papel publicado por Hansen y sus colegas en 1988 representaron uno de los primeros modelos climáticos modernos. Dividió el mundo en celdas de cuadrícula discretas de ocho grados de latitud por 10 grados de longitud, con nueve capas verticales de la atmósfera. Incluía aerosoles, varios gases de efecto invernadero además de CO2 y dinámica básica de nubes.

Hansen et al presentaron tres escenarios diferentes asociados con diferentes emisiones futuras de gases de efecto invernadero. El escenario B se muestra en la siguiente tabla como una línea negra gruesa, mientras que los escenarios A y C se muestran con líneas grises finas. El escenario A tuvo un crecimiento exponencial en las emisiones, con CO2 y otras concentraciones de GEI considerablemente más altas que en la actualidad.

Calentamiento proyectado de Hansen et al 1988 (escenario B –línea negra gruesa– y escenarios A y C – líneas finas delgadas y grises). Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

El escenario B asumió una desaceleración gradual en las emisiones de CO2, pero tuvo concentraciones de 401ppm en 2016 que estaban bastante cerca de la 404ppm observado. Sin embargo, el escenario B asumió el crecimiento continuo de las emisiones de varios halocarburos que son potentes gases de efecto invernadero, pero posteriormente se restringieron bajo la ley. Protocolo Montreal de 1987. El escenario C tenía emisiones que se acercaban a cero después del año 2000.

De los tres, el escenario B fue el más cercano al forzamiento radiativo real, aunque todavía sobre 10% demasiado alto. Hansen et al también usaron un modelo con una sensibilidad climática de 4.2C por duplicar CO2, en el extremo superior de la mayoría de los modelos climáticos modernos. Debido a la combinación de estos factores, el escenario B proyectó una tasa de calentamiento entre 1970 y 2016 que fue aproximadamente 30% más alta que la observada.

Primer informe de evaluación del IPCC, 1990

Los IPCC's Primer informe de evaluación (FAR) en 1990 presentó modelos oceánicos de difusión de surgimientos de equilibrio de energía / afloramientos relativamente simples para estimar los cambios en las temperaturas globales del aire. Su escenario de negocios como de costumbre (BAU) supuso un rápido crecimiento de CO2 atmosférico, llegando a 418ppm CO2 en 2016, en comparación con 404ppm en observaciones. Las FAR también asumieron un crecimiento continuo de las concentraciones de halocarbono en la atmósfera mucho más rápido de lo que realmente ha ocurrido.

El FAR dio una mejor estimación de la sensibilidad al clima como el calentamiento 2.5C para CO2 duplicado, con un rango de 1.5-4.5C. Estas estimaciones se aplican al escenario BAU en la figura a continuación, donde la línea negra gruesa representa la mejor estimación y las líneas negras discontinuas representan el extremo alto y bajo del rango de sensibilidad del clima.

Calentamiento proyectado a partir del primer informe de evaluación del IPCC (proyección media: línea negra gruesa, con los límites superior e inferior mostrados por líneas negras de puntos finos). Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

A pesar de una mejor estimación de la sensibilidad al clima un poco más baja que la 3C utilizada hoy, la FAR sobrestimó la tasa de calentamiento entre 1970 y 2016 en alrededor de 17% en su escenario BAU, mostrando el calentamiento de 1C durante ese período frente a 0.85C. Esto se debe principalmente a la proyección de concentraciones de CO2 en la atmósfera mucho más altas de lo que realmente ha ocurrido.

Segundo Informe de Evaluación del IPCC, 1995

Los IPCC's Segundo informe de evaluación (SAR) solo publicó proyecciones fácilmente disponibles de 1990 en adelante. Utilizaron una sensibilidad climática de 2.5C, con un rango de 1.5-4.5C. Su escenario de emisiones de rango medio, “IS92a”, proyectó los niveles de CO2 de 405ppm en 2016, casi idénticos a las concentraciones observadas. La SAR también incluyó un tratamiento mucho mejor de los aerosoles antropogénicos, que tienen un efecto de enfriamiento sobre el clima.
<br />

 Calentamiento proyectado a partir del Segundo Informe de Evaluación del IPCC (proyección media: línea negra gruesa, con los límites superior e inferior mostrados por líneas negras de puntos finos). Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

Como puede ver en el cuadro anterior, las proyecciones de SAR terminaron siendo notablemente más bajas que las observaciones, y se calentaron aproximadamente un 28% más lentamente durante el período de 1990 a 2016. Esto probablemente se debió a una combinación de dos factores: una sensibilidad al clima más baja que la encontrada en las estimaciones modernas (2.5C vs. 3C) y una sobrestimación de la Forzamiento radiativo de CO2 (4.37 vatios por metro cuadrado en comparación con 3.7 utilizados en el informe posterior del IPCC y que todavía se utilizan en la actualidad).

Tercer informe de evaluación del IPCC, 2001

El IPCC Tercer informe de evaluación (TAR) se basó en modelos de circulación general atmósfera-océano (MCG) de siete grupos de modelado diferentes. También introdujeron un nuevo conjunto de escenarios de emisión socioeconómica, llamado SRES, que incluía cuatro trayectorias de emisión futuras diferentes.

Aquí, Carbon Brief examina la Escenario A2, aunque todos tienen emisiones bastante similares y trayectorias de calentamiento hasta 2020. El escenario A2 proyectó una concentración de CO2016 atmosférica 2 de 406 ppm, casi la misma que se observó. Los escenarios SRES fueron desde 2000 en adelante, con modelos anteriores al año 2000 utilizando estimados históricos estimados. La línea gris discontinua en la figura anterior muestra el punto en el cual los modelos pasan de usar las emisiones y concentraciones observadas a las futuras proyectadas.

Calentamiento proyectado a partir del Tercer Informe de Evaluación del IPCC (proyección media: línea negra gruesa, con los límites superior e inferior mostrados mediante líneas negras de puntos finos). Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

La proyección del titular de TAR usó un modelo climático simple que se configuró para coincidir con los resultados promedio de siete GCM más sofisticados, ya que no se publicó un promedio multimodelo específico en TAR y los datos para ejecuciones de modelos individuales no están disponibles. Tiene una sensibilidad climática de 2.8C por duplicar CO2, con un rango de 1.5-4.5C. Como se muestra en la tabla anterior, la tasa de calentamiento entre 1970 y 2016 en el TAR fue aproximadamente un 14% más bajo de lo que realmente se ha observado.

Cuarto informe de evaluación del IPCC, 2007

Los IPCC's Cuarto informe de evaluación (AR4) presentó modelos con dinámica atmosférica y resolución de modelo significativamente mejoradas. Hizo un mayor uso de los Modelos del Sistema Terrestre, que incorporan la biogeoquímica de los ciclos del carbono, así como las simulaciones mejoradas de la superficie terrestre y los procesos de hielo.

AR4 utilizó los mismos escenarios SRES que el TAR, con emisiones históricas y concentraciones atmosféricas hasta el año 2000 y proyecciones posteriores. Los modelos utilizados en AR4 tenían una sensibilidad climática media de 3.26C, con un rango de 2.1C a 4.4C.

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Calentamiento proyectado a partir del Cuarto Informe de Evaluación del IPCC (proyección media: línea negra gruesa, con los límites superior e inferior de dos sigma mostrados por líneas negras de puntos finos). Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

La figura anterior muestra las ejecuciones de modelo para el escenario A1B (que es el único escenario con ejecuciones de modelo disponibles, aunque sus concentraciones de 2016 CO2 son casi idénticas a las del escenario A2). Las proyecciones de AR4 entre 1970 y 2016 muestran un calentamiento bastante cercano a las observaciones, solo un 8% superior.

Quinto informe de evaluación del IPCC, 2013

El informe más reciente del IPCC - el Quinta evaluación (AR5): presentó mejoras adicionales en los modelos climáticos, así como una modesta reducción en la incertidumbre futura del modelo en comparación con AR4. Los modelos climáticos en el último informe del IPCC fueron parte de la Proyecto de intercomparación de modelos acoplados 5 (CMIP5), donde docenas de diferentes grupos de modelos en todo el mundo ejecutaron modelos climáticos utilizando el mismo conjunto de entradas y escenarios.

Calentamiento proyectado a partir del Quinto Informe de Evaluación del IPCC (proyección media: línea negra gruesa, límites superior e inferior de dos sigma mostrados por líneas negras de puntos finos). La línea negra discontinua muestra campos de modelo mezclados. Carta de Carbon Brief utilizando Highcharts.

AR5 presentó un nuevo conjunto de escenarios futuros de concentración de gases de efecto invernadero, conocido como Rutas de concentración representativas (PCR). Estos tienen proyecciones futuras de 2006 en adelante, con datos históricos anteriores a 2006. La línea gris discontinua en la figura anterior muestra dónde los modelos pasan de usar forzamientos observados a forzamientos futuros proyectados.

La comparación de estos modelos con observaciones puede ser una ejercicio algo complicado. Los campos más utilizados de los modelos climáticos son las temperaturas globales del aire en la superficie. Sin embargo, las temperaturas observadas provienen de las temperaturas del aire de la superficie sobre la tierra y las temperaturas de la superficie del mar sobre el océano.

Para explicar esto, más recientemente, los investigadores han creado campos de modelos combinados, que incluyen temperaturas de la superficie del mar sobre los océanos y temperaturas del aire de la superficie sobre la tierra, para igualar lo que realmente se mide en las observaciones. Estos campos combinados, mostrados por la línea discontinua en la figura anterior, muestran un calentamiento ligeramente menor que las temperaturas del aire en la superficie global, ya que los modelos tienen el aire sobre el océano más rápido que las temperaturas en la superficie del mar en los últimos años.

Las temperaturas globales del aire en la superficie en los modelos CMIP5 se han calentado alrededor de 16% más rápido que las observaciones desde 1970. Alrededor del 40% de esta diferencia se debe a las temperaturas del aire sobre el océano que se calientan más rápido que las temperaturas de la superficie del mar en los modelos; los campos del modelo combinado solo muestran el calentamiento 9% más rápido que las observaciones.

A papel reciente en la naturaleza by Iselin Medhaug y sus colegas sugieren que el resto de la divergencia puede explicarse por una combinación de variabilidad natural a corto plazo (principalmente en el Océano Pacífico), pequeños volcanes y una producción solar inferior a la esperada que no se incluyó en los modelos en sus estudios posteriores. Proyecciones 2005.

A continuación se muestra un resumen de todos los modelos que ha visto Carbon Brief. La siguiente tabla muestra la diferencia en la velocidad de calentamiento entre cada modelo o conjunto de modelos y De la NASA Observaciones de temperatura. Todos los registros de temperatura de observación son bastante similares, pero la NASA se encuentra entre el grupo que incluye una cobertura global más completa en los últimos años y, por lo tanto, es más directamente comparable a los datos del modelo climático.

* Las diferencias de tendencia SAR se calculan a lo largo del período de 1990-2016, ya que las estimaciones anteriores a 1990 no están fácilmente disponibles.
# Diferencias entre paréntesis basadas en campos modelo tierra / océano combinados

Conclusión

Los modelos climáticos publicados desde 1973 generalmente han sido bastante hábiles para proyectar el calentamiento futuro. Si bien algunos fueron demasiado bajos y otros demasiado altos, todos muestran resultados razonablemente cercanos a lo que realmente ocurrió, especialmente cuando se toman en cuenta las discrepancias entre las concentraciones de CO2 pronosticadas y reales y otros forzamientos climáticos.

Los modelos están lejos de ser perfectos y se seguirán mejorando con el tiempo. También muestran una gama bastante grande de calentamiento futuro que no se puede reducir fácilmente Usando solo los cambios en el clima que hemos observado.

Sin embargo, la estrecha coincidencia entre el calentamiento proyectado y el observado desde 1970 sugiere que las estimaciones del calentamiento futuro pueden resultar igualmente precisas.

Nota metodológica

Científico ambiental Dana Nuccitelli proporcionó una lista de comparaciones de modelos / observaciones pasadas, disponibles aquí. El Software PlotDigitizer se usó para obtener valores de figuras más antiguas cuando los datos no estaban disponibles de otra manera. Los datos de los modelos CMIP3 y CMIP5 se obtuvieron de KNMI Climate Explorer.

Este artículo apareció originalmente en Resumen de carbono

Sobre el Autor

Zeke Hausfather cubre la investigación en ciencia del clima y energía con un enfoque en los Estados Unidos. Zeke tiene una maestría en ciencias ambientales de la Universidad de Yale y Vrije Universiteit Amsterdam, y está completando un doctorado en ciencias del clima en la Universidad de California, Berkeley. Pasó los últimos años de 10 trabajando como científico de datos y emprendedor en el sector de tecnología limpia.

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