perjantai 28. syyskuuta 2012

Ovatko ilmastonmuutosta ennustavat ilmastomallit luotettavia?

Arizonan yliopiston uusi tutkimus osoittaa, että ilmastomallit ovat tämänhetkisen tiedon mukaan todella hyviä ennustamaan pitkän aikavälin (yli 30 vuotta) ilmaston vaihtelua maanosan laajuisesti tai maailmanlaajuisesti, mutta ennustettavuus heikkenee, kun käytetään pienempiä maantieteellisiä alueita ja alle 30 vuoden aikajaksoja.


Video: What is a Climate Model?, julkaisija PICS Climate Insights. Suomenkielisen tekstityksen saa päälle valitsemalla alavalikosta CC > Finnish (tai Suomi). Tekstityksen tehnyt Ilmatieteen laitoksen, Kouvolan kaupungin (Kouvolan Lyseon lukio ja Kouvolan iltalukio) ja Vantaan kaupungin (Lumon lukio) yhteinen TULUVAT-ilmastohanke.


Tutkimuksen "The hindcast skill of the CMIP ensembles for the surface air temperature trend" yhtenä tavoitteena oli selvittää, kuinka luotettavia IPCC:n ilmastomallit ovat. Tutkimusryhmä arvioi seitsemää tietokonesimulaatiomallia, joita käytetään IPCC:n kuuden vuoden välein ilmestyvissä raporteissa. Nämä mallit ottavat huomioon maapallon pinnan ja ilmakehän väliset vuorovaikutukset kummallakin maapallon puoliskolla, kaikissa maanosissa ja valtamerissä.

Ilmastomallit edustavat nykyistä käsitystä ilmastoon vaikuttavista tekijöistä ja sitten kääntävät nämä ohjelmakoodiksi ja integroivat niiden vuorovaikutuksia tulevaisuudessa. Mallit sisältävät useimmat tuntemamme vaikuttavat tekijät kuten tuuli, auringon säteily, ilmakehän virtaukset, pilvet, sadanta, aerosolit (pienet hiukkaset ilmassa), pintakosteus ja merivirrat.

Ilmastomallien toimivuus perustuu vähintään kolmeen kriteeriin. Mallissa on käytettävä luotettavia tietoja, sen ennustearvon on oltava parempi kuin pelkkään sattumaan perustuva ennuste ja sen ennusteen on oltava lähempänä todellisuutta kuin pelkkään maapallon ilmastojärjestelmän sisäiseen vaihteluun perustuva ennuste, jossa ei ole otettu huomioon vaihteluita auringon toiminnassa, tulivuorenpurkauksia, kasvihuonekaasupäästöjä fossiilisten polttoaineiden polttamisesta ja maankäytön muutoksia, kuten kaupungistumista ja metsien hävittämistä.

Testatakseen, kuinka tarkasti erilaiset tietokonepohjaiset ilmaston ennustemallit voivat muuttaa dataa ennusteiksi, tutkimusryhmä käytti hindcast-malliajoja. Tutkijat syöttivät malleihin historiallisia tilastotietoja ilmastosta ja vertasivat mallien antamia tuloksia todellisuudessa havaittuun ilmastonmuutoksen. Tutkijat arvioivat malleilla vuonna 1900 käytettävissä olleiden tietojen perusteella ilmastonmuutosta 10, 20, 30, 40 ja 50 vuotta eteenpäin. Sitten sama tehtiin alkaen vuosista 1901, 1902 ja niin edelleen.

"Ilmastotutkijat ovat oikeassa, koska tutkimuksemme osoittaa, että maanosan laajuisella alueella ja kolmen vuosikymmenen pituisella tai pitemmällä ajanjaksolla ilmastomallit todellakin näyttävät ennustuskykynsä. Mutta kun ennustetaan ilmastoa tietylle alueelle seuraavien 10 tai 20 vuoden ajaksi, mallimme eivät toimi.", sanoo Arizonan yliopiston ilmakehätieteiden osaston professori Xubin Zeng.

"Analyysimme vahvisti sen, mitä odotimme viimeisimmästä IPCC-raportista vuodelta 2007", sanoo Zengin ryhmässä tohtorin tutkintoon tähtäävä Koichi Sakaguchi. "Näillä ilmastomalleilla näyttää olevan hyvä tarkkuus suuressa mittakaavassa, esimerkiksi ennustettaessa lämpötilatrendejä useiksi vuosikymmeniksi, ja vahvistimme sen osoittamalla, että mallit toimivat hyvin yli 30 vuoden aikajänteellä ja maantieteellisesti vähintään 30 koordinaatistoastetta kattavalla alueella. "

Zeng toteaa: "On tärkeää pitää mielessä, että ilmastonmuutoksen hindcast-malleja on tehty käyttäen alkupisteenä vuotta 1880. Nykyään meillä on paljon enemmän havaintoaineistoa. Jos aloitetaan ennuste nykyajasta seuraavien 30 vuoden ajaksi, ennusteen tarkkuus saattaa olla paljon parempi, vaikkei tätä olekaan vielä todistettu. -- Olemme edistyneet paljon tiettyjä prosessien ymmärtämisessä, esimerkkinä ilmassa leijuva pöly ja muut joko ihmisen toiminnasta tai luonnollisista lähteistä maanpinnalta ilmaan nousevat pienet hiukkaset. Mutta ilmasto ja maapallo ovat yhä erittäin monimutkaista. Parempi käsitys ei välttämättä muutu paremmaksi taidoksi lyhyessä ajassa. Kun mennään yksityiskohtiin, huomaa, että joidenkin vuosikymmenten kohdalla mallit onnistuvat paljon paremmin kuin joinakin muina vuosikymmeninä. Tämä johtuu siitä, että mallit ovat vain niin hyviä kuin meidän ymmärryksemme luonnon prosesseista, ja siellä on paljon sellaista, mitä emme ymmärrä. "

Zengin mukaan maapallon keskilämpötila nousi viime vuosisadalla noin 0,8 celsiusastetta. Ilman mitään pyrkimyksiä hillitä kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttamaa ilmaston lämpenemistä lämpötila voi mallien mukaan nousta vielä noin 4,5 astetta tai enemmänkin tämän vuosisadan loppuun mennessä.

"Tiedeyhteisö neuvoo päättäjiä välttämään lämpötilan nousua yli kahdella asteella, koska katsomme, että kun tämä kynnys on ylitetty, ilmaston lämpeneminen voisi olla vahingollinen monilla alueilla", Zeng sanoo.

Lähteet:

Journal of Geophysical Research Atmospheres

The University of Arizona News

AccuWeather

ScienceDaily

Lisää tietoa ilmastomalleista:

Ilmasto-opas

IPCC

10 kommenttia:

Sami kirjoitti...

Tämä onkin mielenkiintoinen aihe. Itse olen sitä mieltä että globaalin lämpötilan ennustustarkkuus on aikalailla yhtä tyhjän kanssa jos paikallisia vaikutuksia ei kyetä ennustamaan.

Hälyttävin merkki mallien kyvyttömyydestä ennustaa "oikeasti" tärkeitä asioita on kaikkien mallien totaalinen kyvyttömyys ennustaa arktisen jään sulamisnopeutta. Jos näin tärkeitä feedback-looppeja ei osata ennustaa (ollenkaan), voi vain kysyä mitä kaikkea muuta kriittistä malleista puuttuu.

Lisäksi on syytä muistaa että _keski_lämpötilan ei oikeastaan tarvitse juurikaan muuttua ja silti käsillä voi olla katastrofi; jos (ja kun, esimerkiksi Yhdysvalloissa) alueellisesti on vaikka muutama kuukausi merkittävästi keskivertoa kuumempaa ja kuivempaa, jota seuraa keskivertoa paljon viileämpi jakso niin vuosikeskiverto näyttää aika hyvältä - ja peittää alleen heittelyistä aiheutuneet katastrofit.

Jari Kolehmainen kirjoitti...

Kiitos kommentistasi, joka herättää ajatuksia.

Arktinen merijää on todellakin sulanut kaikkia mm. IPCC:n käyttämiä malliennusteita nopeammin, kuten näkyy esimerkiksi tästä kuvasta ja tästä kuvasta. Ainakaan tässä asiassa IPCC:tä ei siis voi syyttää liioittelusta.

Asiaan alettiin kiinnittää huomiota vuonna 2007 ja aiheesta julkaistiin perusteellisempi tutkimus viime vuonna.

Sikäli mallit ovat olleet oikeassa, että ne ovat koko ajan ennustaneet arktisen merijään määrän pienenevän. Nopeus on vain ollut suuri yllätys. Ilmeisestikään malleissa ei ole osattu ottaa huomioon kaikkia positiivisia takaisinkytkentöjä (feedback) eli ilmastonmuutosta voimistavia tekijöitä. Merijään väheneminen puolestaan toimii uutena positiivisena takaisinkytkentänä.

Asian tutkimista ja tulkintaa vaikeuttaa sekin, että arktisen merijään määrä vaihtelee hyvin paljon luonnollisestikin vuodesta toiseen. Professori Peter Wadhams arvioi Guardian-lehden haastattelussa, että arktinen merijää voisi kesällä sulaa kokonaan jopa niinkin aikaisin kuin vuonna 2015-2016.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tutkija Jouni Räisänen kuitenkin varoittaa CO2-raportin haastattelussa tekemästä hätiköityjä johtopäätöksiä, kun häneltä kysytään, milloin kaikki merijää sulaa elo-syyskuussa:

”Arvaukseni menee viime vuosikymmenten kehitystä ekstrapoloiden 2030-luvulle. Ilmastomallisimulaatiot kertovat kuitenkin, että tällainen ekstrapolointi on ilmaston luonnollisen vaihtelun takia melko heikolla pohjalla (esim. Koenigk et al., Tellus A 2011, doi: 10.1111/j.1600-0870.2010.00474.x). Sen jälkeen, kun syyskuun jääpeite ensimmäistä kertaa putoaa mallisimulaatioissa tämänvuotiselle 3-4 miljoonan neliökilometrin tasolle, voi mennä vielä hyvinkin 40 vuotta, ennen kuin Jäämeri on ensimmäistä kertaa kesällä miltei jäätön. Toisaalta samalta tasolta lähdettäessä voidaan päätyä lähes jäättömään tilanteeseen nopeimmillaan jopa muutamassa vuodessa. Mallikokeiden mukaan jäiden lähtö ei myöskään ole 'kerrasta poikki'. Ensimmäisen käytännössä jäättömän kesän jälkeen saattaa tulla vielä useita, jopa kymmeniäkin kesiä, jolloin jäätä jää jäljelle merkittäviä määriä.”

Sami kirjoitti...

Tuo Räisäsen kanta on jokseenkin outo; toisaalta hän veikkaa sulamispisteen konservatiivisesti extrapoloiden ja toisaalta viittaa malleihin - joiden tiedettiin haastattelun tekoaikaan olevan selvästi ylioptimistisia - moderoidakseen kantaansa vielä varovaisemmaksi. On tieteellisessä mielessä jossain määrin ymmärrettävää vähätellä merijään sulamisnopeutta, mutta moraalisesti vähättely menee arvelluttavaksi. Käsitykseni mukaan useat elleivät useimmat ilmastotutkijat ovat yksityisesti sitä mieltä että maailma lähestyy "point of no return":iä ilmaston suhteen hälyttävän nopeasti - jopa IEA puhui viime vuonna viiden vuoden ikkunasta, http://www.guardian.co.uk/environment/2011/nov/09/fossil-fuel-infrastructure-climate-change.

Räisäsen äärimmäisen varovainen tapa ilmaista kantansa ei tietysti ole mitenkään ainutlaatuista; onkin maailmanlaajuisesti lievästi sanottuna huolestuttavaa että ilmastonmuutoksen jarruttamisen kiireellisyyttä ei tuoda vahvemmin esille tieteellisen varauksellisuuden takia; että jos vaikka ollaankin väärässä vaikka väärässä olemisen todennäköisyys alkaa olla häviävän pieni. Lienee selvää että mielestäni se pieni riski tieteellisen uskottavuuden kolhiutumisesta kannattaisi ottaa ennemmin kuin odottaa että on liian myöhäistä ja todeta sitten että "niinhän me aina luultiin, mutta ei voitu sanoa ennen kuin oltiin varmoja".

Jari Kolehmainen kirjoitti...

Arktisen merijään sulamisesta voi lukea lisää CO2-raportista:

”Merijään laajuus on vähentynyt koko mittausjakson aikana, mutta viimeisten kymmenen vuoden aikana merijään sulaminen on kiihtynyt. Havainnot ovat sopusoinnussa globaalin ilmaston lämpenemisen kanssa, Ilmatieteen laitoksen ryhmäpäällikkö Jari Haapala toteaa. -- Kesällä 2012 merijään sulaminen oli erityisen voimakasta elokuun aikana, jolloin Tyynenmeren puoleisella alueella syntyi voimakas matalapaine, jonka synnyttämä myrsky rikkoi jääkenttää ja kiihdytti sulamista. Matalapaineet ovat yleisiä Jäämerellä, mutta niiden vaikutus merijään sulamiseen on nykyään merkittävämpää, koska ohentumisen johdosta merijää on haavoittuvampi myrskyjen aiheuttamalla pirstoutumiselle. -- Merijään vähentyminen on selkeä osoitus ilmastonmuutoksen etenemisestä. Yksi ilmastomallien perustuloksia on, että Arktinen alue tulee lämpenemään muita maapallon alueita voimakkaammin ja merijää häviämään kasvihuonekaasujen pitoisuuden lisääntyessä ilmakehässä. Havaitut muutokset Jäämerellä noudattavat hyvin tätä jo kymmeniä vuosia sitten saatua tulosta. -- Huolestuttavaa kehityksessä on kuitenkin se, että merijään vähentyminen on tapahtunut huomattavasti nopeammin kuin mitä mallit ovat arvioineet. -- Arviot jäättömästä Jäämerestä vaihtelevat suuresti. Konservatiivinen arvio on, että Jäämeri tulisi olemaan aina kesäaikaisin jäätön aikaisintaan 2030-2050. Viimeiset monivuotisen jään alueet tulisivat löytymään Kanadan ja Grönlannin pohjoisalueilta. Muut nykyiset monivuotisen jään alueet, kuten pohjoisnavan seutu voivat olla jäättömiä jo seuraavan viiden vuoden aikana. Talviaikaan jääkansi tulee peittämään lähes yhtä laajat alueet kuin nykyäänkin, mutta merijää tulee olemaan huomattavasti nykyistä ohuempaa, Haapala toteaa.”

Jari Kolehmainen kirjoitti...

Tutkija Hans Olav Hygen Norjan ilmatieteen laitokselta toteaa Miljolare.no-sivustolla, että arktinen merijää voi sulaa ensimmäistä kertaa kokonaan seuraavien 5-90 vuoden aikana. Syynä suureen epävarmuuteen on se, että arktisen merijään dynamiikka on hyvin monimutkainen, eikä kaikkia siihen vaikuttavia tekijöitä vielä tunneta. Hans Olav Hygenin henkilökohtainen arvio on, että arktinen alue on ensimmäistä kertaa loppukesästä (alkusyksystä) täysin jäätön vuoden 2040 tienoilla.

Hygenin mukaan myös arktisen merijään sulamisen vaikutus Norjan ja Suomen säätiloihin on toistaiseksi epävarmaa. Varmaa on vain se, että jotakin vaikutuksia sillä tulee olemaan. Yksi mahdollinen seuraus ovat pohjoismaiden kylmät talvet, koska Pohjois-Atlantin yllä tuulten läntinen kiertoliike saattaa heikentyä (NAO-indeksi pienenee). Silloin kun Pohjois-Atlantin oskillaatio eli värähtely (NAO) on negatiivinen, Pohjois-Eurooppaan pääsee virtaamaan kylmää ilmaa arktiselta alueelta.

Jari Kolehmainen kirjoitti...

Ilmatieteen laitoksen erikoistutkija Jari Haapala kertoo YLE:n haastattelussa ja artikkelissa pohjoisten alueiden jäätiköiden ja ikiroudan sulamisesta sekä mahdollisesta metaanipurkauksesta:

”Ilmatieteen laitoksen erikoistutkija Jari Haapalan mukaan ilmastonmuutos on tapahtunut nopeammin kuin kukaan on osannut edes kuvitella. Kukaan ei myöskään tiedä, mitä tulevaisuudessa tapahtuu. -- Pohjoinen jäätikköalue sulaa kiihtyvällä vauhdilla. Aiempien laskelmien mukaan alueelle povattiin jäätöntä kesää vuosisadan kuluttua, nyt jo 20-30 vuoden kuluttua. Rohkeimpien arvioiden mukaa jäätön kesä voisi olla jo kolmen vuoden päästä. -- Ylen Aamu-tv:ssä tiistaina vieraillut Haapala sanoo, että suurimmat muutokset ilmastossa ovat tapahtuneet viimeisen kymmenen vuoden aikana. -- Olemme hyvin vahvasti sitä mieltä, että olemme ylittäneet luonnollisen vaihtelun rajat. Näitä asioita ei voi enää millään muulla selittää kuin ilmaston lämpenemisellä, Haapala sanoo. -- Jäämeri on mitä todennäköisimmin ollut täysin jäätön 120 000 vuotta sitten. Nyt menossa on Haapalan mukaan suurin muutos, mitä maapallolla on viimeisen jääkauden jälkeen tapahtunut. -- Erikoistutkijan mielestä olosuhteet muuttuvat ilmaston voimakkaan lämpenemisen mukana elinkelvottomiksi tällä vauhdilla jo 2100-luvulla. Merijää reagoi ensimmäisenä, sen jälkeen ikirouta ja lopulta Grönlannin jäätikkö. -- Tämä ei ole mielipide, vaan tämä perustuu minun työhöni. Tutkijat tekevät tutkimusta ja sillä pyritään saaman objektiivinen tutkimustulos. Sitten on ihmisiä, jotka laukovat mielipiteitä, Ilmatieteen laitoksen erikoistutkija Jari Haapala sanoo. -- Haapala antaa kuitenkin toivoa, että mikäli ilmaston lämpenemistä pystytään jollakin keinolla hillitsemään, niin pohjoisen jäämeren tila palautuu ainakin tämänhetkiselle tasolle.”

Ehkä vieläkin karumpaa luettavaa on yhdysvaltalaisen ympäristövaikuttaja Bill McKibbenin suomennettu artikkeli ”Ilmaston lämpenemisen pelottava matematiikka”.

Jari Kolehmainen kirjoitti...

CO2-raportin tuoreessa uutisessa todetaan mm. näin:

”Professori Rohlingin mukaan jäämassat reagoivat lämpötilan muutoksiin aluksi viiveellä. Mutta kun muutos käynnistyy, sitä on hyvin vaikea saada hidastumaan. Tutkijoiden mukaan ilmasto on lämmennyt nyt jo 150-160 vuoden ajan, joten aika, jolloin jäämassat alkavat reagoida voimakkaasti lämpenemiseen, voi olla hyvin lähellä. 'Pahimmillaan prosessi voi jopa olla jo käynnissä. Sen merkkejä ovat mahdollisesti viime vuosina nähdyt jäätiköiden romahdukset Etelämantereella ja Grönlannissa, Grönlannin pinnan laaja sulaminen, jäävirtojen vauhdin kiihtyminen Etelämantereella ja Grönlannissa sekä Etelämantereen niemimaan massan pienentyminen. Ei voida vielä sanoa varmasti, että nämä tapahtumat osoittaisivat oletuksemme oikeaksi. Historialliset tapahtumat kuitenkin tukevat olettamaa, jonka mukaan voimme tulla näkemään odottamattomia muutoksia suurissa jäämassoissa suhteellisen nopealla aikataululla', Rohling sanoo. Nature-artikkelin mukaan lämpötilat Grönlannin yllä ovat seuranneet hyvin nopeasti jäämassan määrää, kun taas Etelämantereen lämpötilan muutokset ovat jopa 700 vuotta edellä jäämassojen muutoksia. Tutkijoiden mukaan nyt tehdyt havainnot antavat olettaa, että Grönlannin lämpötilamuutokset voivat olla paljolti paikallisia reaktioita jäämassan muutoksiin. 'Asia selittyy jään heijastavuudella. Kun jäätikkö pienenee, vähemmän auringon säteilyä heijastuu takaisin avaruuteen ja paikallinen ilmasto lämpenee. Lämpötilat reagoivat hyvin nopeasti jäämassojen muutoksiin', professori Rohling selittää. Sen sijaan Etelämantereen tilanne näyttää olevan päinvastainen, eli jäämassat ovat seuranneet lämpötilan muutosta. Näin ollen Etelämantereen lämpötilojen muutokset heijastelisivat laajemmin globaalia lämpötilakehitystä, kun taas Grönlannissa havaitut lämpötilan muutokset johtuisivat paikallisista jään määrän muutoksista. Tutkijoiden mukaan asia vaatii kuitenkin lisää selvittämistä.”

Jari Kolehmainen kirjoitti...

CO2-raportin uutisessa on asiaa jäätiköiden vaikutuksesta merenpinnan nousuun:

”Tutkimuksen mukaan ihmisen aiheuttamien kasvihuonekaasupäästöjen ansiosta lämmennyt ilmasto on sulattanut vuosien 1902-2009 välillä jäätiköitä niin paljon, että se on vaikuttanut merenpinnan nousuun 11 senttimetrillä. Innsbruckin yliopiston tutkimuksen mukaan jäätiköiden sulaminen on viime vuosisadalla ollut merkittävin merenpinnan tasoon vaikuttanut tekijä. Tutkimuksessa mallinnettiin noin 300 000 jäätikön sulamista. Mallin mukaan jäätiköiden sulaminen kiihtyy edelleen, ja vuoteen 2100 mennessä sulamisvedet voivat nostaa merenpintaa vielä noin 22 senttimetrillä. Mittausten mukaan merenpinta on noussut vuodesta 1900 noin 20 senttimetrillä. Jäätiköiden sulamisen lisäksi merenpintaa ovat nostaneet Etelämantereen ja Grönlannin jäätiköiden sulaminen, veden lämpölaajeneminen sekä pohjavesivarantojen käyttö. -- Vaikutuksen ovat alueellisesti hyvin erilaisia. Tutkijoiden mukaan Alpit menettävät puolet jäätiköidensä massasta vuoteen 2040 mennessä. Kyseessä on globaalissa mittakaavassa kuitenkin pieni tekijä merenpinnan nousussa. Vaikka Alpit sulaisivat kokonaan, vesimäärä nostaa tutkijoiden mukaan merenpintaa alle millimetrillä. -- Mikäli kaikki maailman jäätiköt (poislukien Etelämanner ja Grönlanti) sulaisivat, nousisi merenpinta lähes puolella metrillä. Käytännössä sellaisissa olosuhteissa, jossa kaikki vuoristojäätiköt sulaisivat, nousisi merenpinta useilla metreillä, kun huomioon otetaan lämpölaajeneminen ja Etelämantereen sekä Grönlannin sulamisen vaikutus.”

Jari Kolehmainen kirjoitti...

Nature Geoscience -lehdessä tällä viikolla julkaistun tutkimuksen mukaan ilmastomallit ovat viimeisimpien 15 vuoden aikana arvioineet erittäin tarkasti ilmaston lämpenemisen. Tutkimuksessa verrattiin havaittuja lämpötiloja vuodesta 1996 lähtien ilmastomallien ennusteisiin ja huomattiin lämpötilojen nousseen ilmastomallien ennustamalla tavalla. Ilmastomalleissa ennustettiin, että kymmenen vuoden jakso 2003-2012 on 0,25 astetta lämpimämpi kuin kymmenen vuoden jakso 1957-1966, mikä osoittautui lähes täsmälleen oikeaksi.
Nykyisen vuosituhannen alku oli hiukan ennusteita lämpimämpi. Viime vuosien ajalta ilmastomallien ennusteet ja mitatut lämpötilat ovat erittäin lähellä toisiaan. Ilmaston lämpeneminen on siis edennnyt 1990-luvulla tehtyjen ennusteiden mukaisesti, vaikka vuosituhannen vaihteessa oli ennustettua lämpimämpää. Tulevaisuudessakin on odotettavissa vuosittaista vaihtelua lämpötilakehityksessä, vaikka pitkällä aikavälillä ilmasto lämpenee.

Jari Kolehmainen kirjoitti...

Ilmastomallit ovat uuden tutkimuksen mukaan osoittautuneet aiempaakin arvioitua täsmällisemmiksi.

Lisätietoja ja lähteet:

The Guardian 31.7.2015

Geophysical Research Letters, Wiley Online Library 29.7.2015