Dans quelle mesure les modèles climatiques ont-ils prévu le réchauffement planétaire?

Dans quelle mesure les modèles climatiques ont-ils prévu le réchauffement planétaire?

Les scientifiques ont fait des projections sur le réchauffement climatique futur en utilisant des modèles climatiques de complexité croissante au cours des quatre dernières décennies.

Ces modèles, fondés sur la physique atmosphérique et la biogéochimie, jouent un rôle important dans notre compréhension du climat de la Terre et de son évolution probable.

Carbon Brief a rassemblé des projections de modèles climatiques de premier plan depuis 1973 afin de déterminer leur qualité de projection des températures mondiales passées et futures, comme le montre l'animation ci-dessous. (Cliquez sur le bouton de lecture pour commencer.)

Bien que certains modèles aient projeté un réchauffement moins important que prévu et d'autres davantage, tous ont montré une augmentation de la température de surface entre 1970 et 2016 qui n'était pas très éloignée de ce qui s'était réellement passé, en particulier lorsque les différences d'émissions futures supposées sont prises en compte.

Comment se sont comportés les modèles climatiques du passé?

Bien que les projections de modèles climatiques du passé bénéficient de la connaissance des concentrations de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, des éruptions volcaniques et d’autres phénomènes forçage radiatif affectant le climat de la Terre, il est naturellement plus incertain de se lancer dans l’avenir. Les modèles climatiques peuvent être évalués à la fois sur leur capacité à anticiper les températures passées et à prévoir celles à venir.

Les retransmissions en temps réel (modèles de test des températures passées) sont utiles car elles permettent de contrôler les forçages radiatifs. Les prévisions sont utiles car les modèles ne peuvent pas être implicitement à l'écoute être semblable aux observations. Les modèles climatiques sont ne convient pas aux températures historiques, mais les modélistes ont une certaine connaissance des observations qui peuvent informer leur choix of paramétrages de modèles, tels que la physique des nuages ​​et les effets des aérosols.

Dans les exemples ci-dessous, les projections de modèles climatiques publiées entre 1973 et 2013 sont comparées aux températures observées de cinq organisations différentes. Les modèles utilisés dans les projections varient en complexité, du simple modèles de bilan énergétique complètement couplé Modèles de système terrestre.

(Remarque: ces comparaisons modèle / observation utilisent une période de référence de 1970-1990 pour aligner les observations et les modèles au cours des premières années de l'analyse, ce qui montre plus clairement l'évolution de la température dans le temps.)

Sawyer, 1973

L’une des premières projections du réchauffement futur vient de John Sawyer au Met Office du Royaume-Uni à 1973. Dans un article publié dans Nature dans 1973, il a émis l’hypothèse que le monde réchaufferait 0.6C entre 1969 et 2000 et que CO2 atmosphérique augmenterait de 25%. Sawyer a plaidé pour un sensibilité au climat - quel réchauffement à long terme se produira si les niveaux de CO2 dans l’atmosphère sont doublés - de 2.4C, qui n’est pas très éloigné de la meilleure estimation de 3C utilisé par le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) aujourd’hui.

Contrairement aux autres projections examinées dans cet article, Sawyer n’a pas fourni de prévision de réchauffement pour chaque année, mais simplement une valeur 2000 attendue. Son estimation du réchauffement de 0.6C était presque exacte - le réchauffement observé au cours de cette période se situait entre 0.51C et 0.56C. Il a toutefois surestimé les concentrations de CO2000 dans l’atmosphère de 2 pour l’année, en supposant qu’elles seraient 375-400ppm - par rapport aux valeurs réelles. valeur de 370ppm.

Broecker, 1975

La première projection disponible des températures futures due au réchauffement climatique est apparue dans article dans Science dans 1975 publié par un scientifique de l'Université Columbia Prof Wally Broecker. Broecker a utilisé un modèle simple de bilan énergétique estimer ce qu'il adviendrait de la température de la Terre si CO2 dans l'atmosphère continuait à augmenter rapidement après 1975. Le réchauffement prévu par Broecker était raisonnablement proche des observations depuis quelques décennies, mais il a récemment été considérablement plus élevé.

Ceci est principalement dû à la surestimation par Broecker de la manière dont les émissions de CO2 et les concentrations atmosphériques augmenteraient après la publication de son article. Il était assez précis jusqu'à 2000, prédisant 373ppm de CO2 - par rapport aux observations réelles de 370ppm par Mauna Loa. Dans 2016, cependant, il a estimé que CO2 serait 424ppm, alors que seul 404 pm a été observé.

Broecker n'a pas non plus pris en compte les autres gaz à effet de serre dans son modèle. Cependant, l’impact de réchauffement de méthane, protoxyde d'azote et halocarbures a été largement annulé par le influence globale des aérosols sur le refroidissement depuis 1970, cela ne fait pas une grande différence (bien que les estimations des forçages par aérosol avoir de grandes incertitudes).

Comme Sawyer, Broecker a utilisé une sensibilité climatique à l'équilibre de 2.4C par doublement de CO2. Broecker a supposé que la Terre se réchauffait instantanément pour correspondre à CO2 atmosphérique, tandis que les modèles modernes expliquaient le décalage entre la vitesse de réchauffement de l'atmosphère et celle des océans. (Le ralentissement de l'absorption de chaleur par les océans est souvent appelé le "inertie thermique”Du système climatique.)

Vous pouvez voir sa projection (ligne noire) comparée à l'élévation de température observée (lignes colorées) dans le tableau ci-dessous.

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Le réchauffement projeté de Broecker 1975 (trait noir épais) par rapport aux enregistrements de température d'observation de NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan et Way Berkeley Terre (fines lignes colorées) de 1970 à 2020. Période de base de 1970-1990. Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Broecker a fait sa projection à un moment où les scientifiques pensaient largement que les observations a montré un refroidissement modeste de la terre. Il a commencé son article en affirmant de manière présumée qu '«un argument solide peut être démontré que la tendance actuelle au refroidissement va céder la place à un réchauffement prononcé induit par le dioxyde de carbone».

Hansen et al, 1981

NASA Dr James Hansen et collègues publié un document dans 1981, qui utilisait également un modèle simple de bilan énergétique pour prévoir le réchauffement futur, mais tenait compte de l’inertie thermique due à l’absorption de chaleur par les océans. Ils ont supposé une sensibilité climatique de 2.8C par CO2 doublé, mais ont également examiné une plage de 1.4-5.6C par doublé.

Réchauffement prévu de Hansen et al. 1981 (croissance rapide - ligne noire épaisse - et croissance lente - ligne grise mince). Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Hansen et ses collègues ont présenté un certain nombre de scénarios différents, faisant varier les émissions futures et la sensibilité au climat. Dans le graphique ci-dessus, vous pouvez voir à la fois le scénario de «croissance rapide» (ligne noire épaisse), où les émissions de CO2 augmentent de 4% chaque année après 1981, et un scénario de croissance lente, selon lequel les émissions augmentent de 2% chaque année (ligne grise fine). ). Le scénario de croissance rapide surestime quelque peu les émissions actuelles, mais associé à une sensibilité climatique légèrement inférieure, il fournit une estimation du réchauffement précoce de 2000 proche des valeurs observées.

Le taux global de réchauffement entre 1970 et 2016 projeté par Hansen et al. Dans 1981 dans le scénario de croissance rapide a été inférieur d'environ 20% aux observations.

Hansen et al, 1988

Le système d'implants dentaires papier publié Hansen et ses collègues de 1988 ont représenté l’un des premiers modèles climatiques modernes. Il a divisé le monde en cellules de grille discrètes de huit degrés de latitude par 10 degrés de longitude, avec neuf couches verticales de l'atmosphère. Il comprenait des aérosols, divers gaz à effet de serre en plus de CO2 et la dynamique des nuages ​​de base.

Hansen et al. Ont présenté trois scénarios différents associés à différentes émissions futures de gaz à effet de serre. Le scénario B est représenté dans le tableau ci-dessous par une ligne noire épaisse, tandis que les scénarios A et C sont représentés par de fines lignes grises. Le scénario A avait une croissance exponentielle des émissions, les concentrations de CO2 et d’autres gaz à effet de serre étant considérablement plus élevées qu’aujourd’hui.

Réchauffement prévu de Hansen et al. 1988 (scénario B - ligne noire épaisse - et scénarios A et C - lignes fines continues et en pointillés gris). Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Le scénario B supposait un ralentissement progressif des émissions de CO2, mais des concentrations de 401ppm dans 2016 qui étaient assez proches de la 404ppm observé. Cependant, le scénario B supposait une croissance continue des émissions de divers halocarbures qui sont de puissants gaz à effet de serre, mais ont ensuite été restreints par la suite. Protocole de Montréal de 1987. Dans le scénario C, les émissions étaient presque nulles après l'année 2000.

Sur les trois, le scénario B était le plus proche du forçage radiatif réel, bien que toujours à propos de 10% trop élevé. Hansen et al. Ont également utilisé un modèle avec une sensibilité climatique de 4.2C par CO2 doublant - dans la partie supérieure des modèles climatiques les plus modernes. En raison de la combinaison de ces facteurs, le scénario B prévoyait un taux de réchauffement entre 1970 et 2016 supérieur d'environ 30% à ce qui avait été observé.

Premier rapport d'évaluation du GIEC, 1990

Le GIEC Premier rapport d'évaluation (FAR) dans 1990 ont présenté des modèles océaniques relativement simples de bilan énergétique / diffusion ascendante pour estimer les changements de la température de l’air global. Leur scénario habituel (BAU) prédit une croissance rapide de CO2 atmosphérique, atteignant 418ppm CO2 en 2016, par rapport à 404ppm en observations. Les FAR ont également supposé une croissance continue des concentrations atmosphériques d'halocarbures beaucoup plus rapide que ce qui s'est réellement passé.

Les FAR ont fourni une meilleure estimation de la sensibilité du climat lorsque le réchauffement de 2.5C a doublé pour le CO2, avec une gamme de 1.5-4.5C. La figure ci-dessous applique ces estimations au scénario BAU, l'épaisse ligne noire correspondant à la meilleure estimation et les fines lignes noires en pointillés représentant les extrêmes haut et bas de la plage de sensibilité du climat.

Réchauffement prévu d'après le premier rapport d'évaluation du GIEC (projection moyenne - ligne noire épaisse, avec les limites supérieure et inférieure indiquées par de fines lignes noires en pointillés). Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Malgré une meilleure estimation de la sensibilité climatique légèrement inférieure au 3C utilisé aujourd'hui, les FAR ont surestimé le taux de réchauffement entre 1970 et 2016 d'environ 17% dans leur scénario BAU, montrant le réchauffement de 1C au cours de cette période par rapport au 0.85C observé. Ceci est principalement dû à la projection de concentrations atmosphériques de CO2 beaucoup plus élevées que ce qui est réellement arrivé.

Deuxième rapport d'évaluation du GIEC, 1995

Le GIEC Deuxième rapport d'évaluation (SAR) ne publie que des projections facilement disponibles à partir de 1990. Ils ont utilisé une sensibilité climatique de 2.5C, avec une gamme de 1.5-4.5C. Leur scénario d'émissions de milieu de gamme, «IS92a», prévoyait des niveaux de 2ppm dans XXUMX pour CO405, presque identiques aux concentrations observées. Les RS ont également inclus un traitement bien meilleur des aérosols anthropiques, qui ont un effet de refroidissement sur le climat.
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Réchauffement prévu d'après le deuxième rapport d'évaluation du GIEC (projection moyenne - ligne noire épaisse, avec les limites supérieure et inférieure indiquées par de fines lignes noires en pointillés). Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

Comme vous pouvez le constater dans le graphique ci-dessus, les prévisions de SAR ont été nettement inférieures aux observations, se réchauffant de moins en moins de 28% sur la période allant de 1990 à 2016. Ceci est probablement dû à la combinaison de deux facteurs: une sensibilité au climat inférieure à celle trouvée dans les estimations modernes (2.5C par rapport à 3C) et une surestimation de la forçage radiatif de CO2 (4.37 watts par mètre carré par rapport à 3.7 utilisé dans le prochain rapport du GIEC et toujours utilisé aujourd'hui).

Troisième rapport d'évaluation du GIEC, 2001

Le GIEC Troisième rapport d'évaluation (TAR) s’appuie sur les modèles de circulation générale atmosphère-océan (MCG) de sept groupes de modélisation différents. Ils ont également introduit un nouvel ensemble de scénarios d’émissions socioéconomiques, appelés SRES, qui comprenait quatre trajectoires d’émission futures différentes.

Carbon Brief examine ici les Scénario A2, bien que tous aient des trajectoires d’émission et de réchauffement assez similaires jusqu’à 2020. Le scénario A2 prévoyait une concentration de 2016 atmosphérique dans le CO2 atmosphérique de 406, pratiquement identique à celle observée. Les scénarios SRES étaient à partir de 2000 et les modèles antérieurs à 2000 utilisant des forçages historiques estimés. La ligne grisée en pointillés dans la figure ci-dessus montre le point où les modèles passent de l'utilisation des émissions et des concentrations observées aux futures projections.

Réchauffement prévu d'après le troisième rapport d'évaluation du GIEC (projection moyenne - ligne noire épaisse, avec les limites supérieure et inférieure indiquées par de fines lignes noires en pointillés). Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

La projection principale de TAR utilisait un modèle climatique simple, configuré pour correspondre aux résultats moyens de sept MCG plus sophistiqués, aucune moyenne multimodèle spécifique n'étant publiée dans TAR et les données pour des exécutions de modèle individuelles n'étant pas facilement disponibles. Il a une sensibilité climatique de 2.8C par CO2 doublé, avec une gamme de 1.5-4.5C. Comme le montre le graphique ci-dessus, le taux de réchauffement entre 1970 et 2016 dans le TAR était environ inférieur de 14 à ce qui a été observé.

Quatrième rapport d'évaluation du GIEC, 2007

Le GIEC Quatrième rapport d'évaluation (AR4) présente des modèles avec une dynamique atmosphérique et une résolution de modèle nettement améliorées. Il a davantage utilisé les modèles du système terrestre - qui incorporent la biogéochimie des cycles du carbone - ainsi que des simulations améliorées des processus de la surface du sol et de la glace.

AR4 a utilisé les mêmes scénarios SRES que le TAR, avec les émissions historiques et les concentrations dans l’atmosphère jusqu’à l’année 2000 et les projections ultérieures. Les modèles utilisés dans AR4 présentaient une sensibilité climatique moyenne de 3.26C, avec une plage allant de 2.1C à 4.4C.

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Réchauffement prévu d'après le quatrième rapport d'évaluation du GIEC (projection moyenne - trait noir épais, limites supérieure et inférieure à deux sigma illustrées par de fines lignes noires en pointillés). Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

La figure ci-dessus montre les exécutions de modèle pour le scénario A1B (qui est le seul scénario avec des exécutions de modèle facilement disponibles, bien que ses concentrations de 2016 CO2 soient presque identiques à celles du scénario A2). Les projections AR4 entre 1970 et 2016 montrent un réchauffement assez proche des observations, mais 8% supérieur.

Cinquième rapport d'évaluation du GIEC, 2013

Le dernier rapport du GIEC - le Cinquième évaluation (AR5) - présente des améliorations supplémentaires sur les modèles climatiques, ainsi qu'une réduction modeste de l'incertitude des modèles futurs par rapport à AR4. Les modèles climatiques du dernier rapport du GIEC faisaient partie de la Projet d'intercomparaison de modèles couplés 5 (CMIP5), où des dizaines de groupes de modélisation différents dans le monde entier ont exécuté des modèles climatiques utilisant le même ensemble d'entrées et de scénarios.

Réchauffement prévu d'après le cinquième rapport d'évaluation du GIEC (projection moyenne: trait noir épais, limites supérieure et inférieure à deux sigma illustrées par de fins traits noirs en pointillés). La ligne noire en pointillé indique les champs de modèle combinés. Chart by Carbon Brief en utilisant Highcharts.

AR5 a présenté un nouvel ensemble de scénarios de concentration future de gaz à effet de serre, connu sous le nom de SCÉNARIO RCP (PCR). Celles-ci ont des projections futures à partir de 2006 et des données historiques antérieures à 2006. La ligne grisée en pointillés dans la figure ci-dessus montre où les modèles passent de l'utilisation de forçages observés à des forçages futurs projetés.

La comparaison de ces modèles avec des observations peut être un exercice un peu délicat. Les champs les plus souvent utilisés à partir de modèles climatiques sont les températures mondiales de l'air en surface. Cependant, les températures observées proviennent des températures de l'air en surface au dessus des terres et des océans.

Pour en tenir compte, plus récemment, les chercheurs ont créé des champs de modèles combinés, qui incluent les températures de surface de la mer au-dessus des océans et les températures de l'air à la surface du sol, afin de correspondre à ce qui est réellement mesuré dans les observations. Ces champs mélangés, représentés par la ligne pointillée dans la figure ci-dessus, montrent un réchauffement légèrement moins important que la température de l'air à la surface de la planète, car l'air au-dessus de l'océan se réchauffe plus rapidement que la température de la surface de la mer ces dernières années.

Les températures globales de l'air en surface dans les modèles CMIP5 se sont réchauffées d'environ 16% plus rapidement que les observations depuis 1970. Environ 40% de cette différence est due au réchauffement plus rapide de la température de l'air sur l'océan par rapport à la température de la surface de la mer indiquée dans les modèles. Les champs de modèles combinés indiquent uniquement le réchauffement de 9% plus rapidement que les observations.

A article récent dans Nature by Iselin Medhaug et ses collègues suggèrent que le reste de la divergence peut être expliqué par une combinaison de variabilité naturelle à court terme (principalement dans l'océan Pacifique), de petits volcans et d'une production solaire inférieure aux prévisions qui n'a pas été incluse dans les modèles post-évaluation. Projections 2005.

Vous trouverez ci-dessous un résumé de tous les modèles examinés par Carbon Brief. Le tableau ci-dessous montre la différence de taux de réchauffement entre chaque modèle ou ensemble de modèles et NASA observations de température. Tous les enregistrements de température d'observation sont assez similaires, mais la NASA fait partie du groupe qui comprend une couverture mondiale plus complète ces dernières années et est donc plus directement comparable aux données de modèles climatiques.

Dans quelle mesure les modèles climatiques ont-ils prévu le réchauffement planétaire?

* Les différences de tendance SAR sont calculées sur la période à partir de 1990-2016, les estimations antérieures à 1990 n'étant pas aisément disponibles.
# Différences entre parenthèses basées sur les champs de terres / océans modèles combinés

Conclusion

Les modèles climatiques publiés depuis 1973 ont généralement été assez habiles pour prévoir le réchauffement futur. Certaines étaient trop basses et d'autres trop élevées, mais elles donnent toutes des résultats raisonnablement proches de ce qui s'est réellement passé, en particulier lorsque les écarts entre les concentrations de CO2 prévues et réelles et les autres forçages climatiques sont pris en compte.

Les modèles sont loin d'être parfaits et continueront à être améliorés au fil du temps. Ils montrent également une assez large gamme de réchauffement futur qui ne peut pas être facilement rétréci en utilisant uniquement les changements de climat que nous avons observés.

Néanmoins, la correspondance étroite entre le réchauffement prévu et observé depuis 1970 suggère que les estimations du réchauffement futur pourraient se révéler tout aussi précises.

Note méthodologique

Spécialiste de l'environnement Dana Nuccitelli fourni utilement une liste des comparaisons passées modèle / observation, disponible ici. le Logiciel PlotDigitizer a été utilisé pour obtenir des valeurs à partir de chiffres plus anciens lorsque les données n'étaient pas disponibles autrement. Les données des modèles CMIP3 et CMIP5 ont été obtenues auprès de KNMI Climate Explorer.

Cet article a paru sur Coussin carbone

A propos de l'auteur

Zeke Hausfather couvre la recherche en science du climat et de l'énergie avec un accent américain. Zeke est diplômé en sciences de l'environnement de l'université de Yale et de la Vrije Universiteit Amsterdam, et prépare un doctorat en science du climat à l'université de Californie à Berkeley. Il a passé les années 10 passées à travailler en tant que chercheur de données et entrepreneur dans le secteur des technologies propres.

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