Hoe goed zijn de klimaatvoorspellingen van de afgelopen 40 jaar uitgekomen?

Wat zijn klimaatmodellen?

Klimaatmodellen zijn grote computerprogramma’s die uitrekenen hoe het klimaat zich in de loop van de tijd ontwikkelt. Klimaatmodellen bestaan in het algemeen uit verschillende stukken voor de atmosfeer, het land, de oceaan, de vegetatie, het ijs op land en op zee, en de chemische processen in de atmosfeer. Met elkaar rekenen deze stukken uit hoe het klimaat zich ontwikkelt. Het kost veel tijd en inspanning om een klimaatmodel te ontwikkelen. Er bestaan tegenwoordig enkele tientallen klimaatmodellen die door verschillende instituten en universiteiten zijn ontwikkeld en die gebruikt worden om het klimaat van de toekomst te verkennen.

Een klimaatmodel deelt de hele atmosfeer op in blokken. De grootte van deze blokken zijn van de orde 100 bij 100 kilometer in oost-west en noord-zuid richting en een kilometer hoog. Zo ontstaat een driedimensionaal rekenrooster (figuur 1). Per blok of roostercel krijgt de atmosfeer een waarde voor de gemiddelde temperatuur, de wind, de hoeveelheid en de samenstelling van de lucht (o.a. het CO₂ gehalte) en de hoeveelheid zwevende deeltjes. Dit legt de toestand van de atmosfeer vast. Op dezelfde manier worden ook de toestand van het land en de oceanen op een rekenrooster vastgelegd. Voor het land gaat het dan bijvoorbeeld om de temperatuur, de hoeveelheid water in de grond, de begroeiing en de sneeuwbedekking. Voor de oceanen om de temperatuur en het zoutgehalte.

Figuur 1: Een klimaatmodel deelt de atmosfeer, de oceaan en het land op in blokken en rekent met de natuurwetten uit hoe de eigenschappen als temperatuur, stroming, samenstelling van de lucht (of land of water) in de tijd veranderen. Hoe krachtiger de computer, hoe fijnmaziger het rekenrooster kan zijn en hoe nauwkeuriger de natuurwetten toegepast kunnen worden.

Om uit te rekenen hoe de toestand van het land, de oceaan en de atmosfeer zullen veranderen, worden de natuurwetten toegepast op iedere roostercel. Het klimaatprogramma weet hoeveel energie de roostercel binnenkomt, hoeveel eruit gaat en hoe de samenstelling van de lucht verandert en rekent zo uit hoe snel de temperatuur gaat stijgen of dalen in die roostercel. Het klimaatmodel rekent zo in iedere roostercel uit hoe warm het is na een bepaalde tijd, bijvoorbeeld een half uur later. Zo kan ook worden uitgerekend hoe de winden zijn veranderd en de samenstelling van de atmosfeer. Op een soortgelijke manier wordt uitgerekend hoe het land en de oceanen veranderen. Op de grensvlakken tussen land, lucht en oceaan wordt rekening gehouden met de uitwisseling van water en energie. Verdamping onttrekt bijvoorbeeld warmte en water aan de oceaan en het land en brengt waterdamp in de lucht. Op deze manier wordt op het driedimensionale rooster in stapjes van een half uur de toekomstige ontwikkeling van de atmosfeer, het land en de oceaan uitgerekend. Door dan bijvoorbeeld de temperatuur te middelen van de roostercellen boven Nederland in de winters tussen 2071 en 2100 krijgen we een uitkomst voor de gemiddelde temperatuur in de winter in Nederland aan het eind van deze eeuw.

Hoe stop je wolken in een klimaatmodel?

Een wolk is veel kleiner dan een typische roostercel in een klimaatmodel. Maar wolken hebben een groot effect op de temperatuur. Ze koelen door zonlicht terug te kaatsen en te voorkomen dat het zonlicht het aardoppervlak verwarmt. Dat merk je als een wolk voor de zon schuift. Ze verwarmen door de uitstraling van warmte naar de ruimte tegen te houden. Zonder wolken koelt het in de nacht harder af. Om het effect van wolken in een klimaatmodel te krijgen, zoeken klimaatonderzoekers naar een verband tussen de gemiddelde eigenschappen van een roostercel en het optreden van bewolking. Hiervoor worden waarnemingen gebruikt. Zo'n verband heet een parameterisatie. Ook andere kleinschalige processen worden door parameterisaties benaderd. Klimaatmodellen verschillen in deze benaderingen en dat maakt dat ze verschillende uitkomsten geven voor toekomstige veranderingen in de temperatuur. Computers worden steeds krachtiger en de roostercellen kunnen steeds verder verkleind worden. Als ze enkele honderden meters groot worden, dan ontstaan vanzelf wolken die er heel realistisch uitzien. De verwachting is dat dan de uitkomsten van de verschillende klimaatmodellen dichter bij elkaar komen te liggen. Maar voorlopig zijn computers nog niet krachtig genoeg zijn om over de hele wereld te rekenen met roostercellen die zo klein zijn dat wolken spontaan in de klimaatmodellen ontstaan.

Hoe goed zijn de klimaatvoorspellingen uit 1988 uitgekomen?

Het klimaatmodel van James Hansen uit 1988 rekende met roostercellen van gemiddeld bijna 1000 bij 1000 kilometer en een paar kilometer hoogte [1]. Er werd rekening gehouden met de voor klimaatverandering belangrijkste processen. Voor de uitstoot van broeikasgassen na 1988 hield het model rekening met drie ontwikkelingen, scenario A, B en C. Scenario A ging uit van een snelle groei in uitstoot, met hoeveelheden CO₂ en andere broeikasgassen die hoger waren dan we nu vandaag zien. Scenario C liet de emissies juist afnemen tot praktisch nul na het jaar 2000. De echte emissies zijn echter blijven stijgen. Tussen deze twee uitersten zat scenario B, die achteraf het dichtst bij de werkelijke ontwikkeling van de hoeveelheid CO₂ is uitgekomen [2]. De voorspelde wereldwijde opwarming voor scenario B in 2020 (ruim +0,9 graden ten opzichte van de gemiddelde temperatuur in de periode 1970-1990) komt ook het dichtst bij de waargenomen opwarming (ruim +0,8 graden) (figuur 2).

Figuur 2: Berekende opwarming met een klimaatmodel in 1988 voor 3 scenario's voor de uitstoot van broeikasgassen na 1988. Scenario B bleek achteraf het dichtst bij de werkelijke uitstoot. De gekleurde lijnen zijn verschillende schattingen voor de wereldgemiddelde temperatuur op basis van metingen, de opwarming is berekend ten opzichte van de temperatuur gemiddeld over 1970-1990. Bron: carbonbrief.org [3].

Hoe goed zijn latere klimaatvoorspellingen uitgekomen?

Sinds 1988 zijn de klimaatmodellen steeds verder verfijnd en worden steeds meer processen meegenomen die het klimaat beïnvloeden. Er wordt intensief internationaal samengewerkt om scenario's te maken voor toekomstige uitstoot van broeikasgassen. Voor deze scenario's rekenen instituten ieder met hun eigen klimaatmodel uit hoe het klimaat daarop reageert.

De modelgegevens worden verzameld en gedeeld via internet zodat klimaatonderzoekers kunnen nagaan hoe goed de modellen het verleden klimaat uitrekenen en wat ze voorspellen voor de toekomst. Deze internationale coördinatie heet het Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). De derde generatie, CMIP3, berekende met de modellen van eind jaren negentig het historische klimaat tot 2000 en vanaf 2000 het toekomstige klimaat voor verschillende scenario's van toekomstige uitstoot. CMIP5 deed hetzelfde vanaf 2006 en CMIP6 vanaf 2015. De klimaatmodellen verschillen in de mate van opwarming, maar de waargenomen opwarming blijkt steeds binnen de berekende uitkomsten te vallen [3]. Het gemiddelde van de uitkomsten van alle modellen geeft een goede voorspelling voor de opgetreden opwarming voor het scenario dat achteraf het beste klopt met de werkelijke uitstoot (figuur 3).

Figuur 3: Berekende opwarming met klimaatmodellen uit 2000 (boven) en 2006 (onder) voor een scenario van toekomstige uitstoot dat achteraf het beste klopte met de werkelijke uitstoot. De gekleurde lijnen zijn verschillende schattingen voor de wereldgemiddelde temperatuur op basis van metingen. Bron: carbonbrief.org [3].

De grootste onzekere factor is de mens

Hoe het klimaat er rond 2100 uitziet, hangt voornamelijk af van de mens. Natuurlijk weten we niet precies hoe het klimaat gaat veranderen, maar het maakt erg veel uit of we de uitstoot van broeikasgassen snel terugbrengen naar nul of dat we doorgaan met het delven van kolen en oppompen van olie en gas om in onze energiebehoefte te voorzien. In figuur 4 zie je dat de berekende opwarming voor ieder uitstootscenario een vrij grote onzekerheid kent, en dat het hoogste en laagste uitstootscenario sterk verschillen in de mate van opwarming in 2100. In figuur 4 is de berekende opwarming te zien voor verschillende scenario's voor toekomstige uitstoot. Voor elk scenario is er een vrij grote onzekerheid. Wel zien we dat de in meeste scenario’s de opwarming van de aarde deze eeuw flink door zet. Na 2050 gaan de scenario’s steeds meer uit elkaar lopen. In de lage scenario's zorgt het sterk terugdringen van de uitstoot door klimaatbeleid ervoor dat de opwarming beperkt blijft. De mate van opwarming in 2100 verschilt flink, volgens het hoogste scenario bijna 5 graden, volgens het laagste rond 1,5. De laagste twee scenario's gaan ervanuit dat de uitstoot snel daalt en dat in de tweede helft van de eeuw wereldwijd de mens netto CO₂ aan de lucht onttrekt. Of dit gaat lukken is zeer de vraag. De wereldwijde uitstoot is nog niet aan het dalen. Volgens het huidige voorgenomen klimaatbeleid stevenen we af op een opwarming van 2,5 tot 3 graden.

Figuur 4: Berekende opwarming op basis van klimaatmodellen uit 2015 voor vijf scenario's voor toekomstige uitstoot van broeikasgassen. De lijnen zijn de gewogen gemiddelde uitkomsten van alle CMIP6 modellen, 90% van alle modeluitkomsten ligt binnen de gekleurde band. Bron: IPCC AR6 [4].