Satellitenbeobachtungen und Computersimulationen sind wichtige Werkzeuge, um vergangene Änderungen des Erdklimas zu verstehen und zukünftige Änderungen vorherzusagen.
Satellitenbeobachtungen zeigen jedoch durchweg weniger Erwärmung als Klimamodellsimulationen von 1979 bis heute, insbesondere in der tropischen Troposphäre (die untersten ~15 km der Erdatmosphäre). Dieser Unterschied hat Bedenken geweckt, dass Modelle zukünftige Temperaturänderungen überbewerten könnten.
Anstatt ein Indikator für grundlegende Modellfehler zu sein, kann der Modell-Satelliten-Unterschied größtenteils durch natürliche Schwankungen des Erdklimas und Unvollkommenheiten in den Klimamodell-Antriebsmitteln erklärt werden, so neue Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).
„Die natürliche Klimavariabilität scheint die Erwärmung während des Satellitenzeitalters teilweise verdeckt zu haben“, sagte Stephen Po-Chedley, ein LLNL-Klimawissenschaftler und Hauptautor eines Artikels, der in der veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences.
Die Ergebnisse der Studie liefern ein verbessertes Verständnis der Ursachen historischer Klimaveränderungen und stärken das Vertrauen in Modellsimulationen der anhaltenden globalen Erwärmung im 21. Jahrhundert.
„Obwohl sich die Erde aufgrund menschlicher Kohlendioxidemissionen erwärmt, können natürliche Schwankungen des Erdklimas diesen allgemeinen Erwärmungstrend vorübergehend beschleunigen oder verringern“, bemerkte Zachary Labe, Co-Autor der Princeton University und des National Oceanic and Atmospheric Labor für geophysikalische Fluiddynamik der Verwaltung. Zusätzlich zur Modulation der Erwärmungsrate erzeugen natürliche Klimaschwankungen wie die interdekadische pazifische Oszillation auch einzigartige Muster regionaler Oberflächentemperaturänderungen.
Diese Oberflächentemperaturmuster waren der Schlüssel zur Quantifizierung des Einflusses der natürlichen Variabilität auf die Erwärmung im Satellitenzeitalter. Das Forschungsteam berücksichtigte Tausende von Oberflächenerwärmungskarten aus Klimamodellsimulationen. Das Team trainierte dann maschinelle Lernalgorithmen, um das Muster der Oberflächenerwärmung mit der Gesamtgröße der Erwärmung oder Abkühlung in Beziehung zu setzen, die auf natürliche Klimaschwankungen zurückzuführen ist. Der Ansatz des maschinellen Lernens war erfolgreich darin, die Komponente der atmosphärischen Erwärmung aufgrund natürlicher Klimaschwankungen von der Erwärmung durch andere Ursachen zu trennen, wie z.
Als dieser Ansatz auf das beobachtete Erwärmungsmuster angewendet wurde, deutete die Vorhersage aus maschinellen Lernmethoden darauf hin, dass natürliche Oszillationen den realen Erwärmungstrend der tropischen Troposphäre im Laufe des Satellitenzeitalters um etwa 25 % reduzierten. Obwohl Klimamodelle solche natürlichen dekadischen Schwankungen des Klimas simulieren, unterscheiden sich Zeitpunkt und Abfolge dieser Schwankungen in jeder Simulation und stimmen nur zufällig mit den Beobachtungen überein. Dieser teilweise „Ausgleich“ der Erwärmung durch natürliche Schwankungen hilft zu erklären, warum Klimamodellsimulationen dazu neigen, eine stärkere Erwärmung zu simulieren als Satellitenbeobachtungen der tropischen Troposphärentemperatur während der letzten Jahrzehnte.
Zusätzlich zur natürlichen Klimavariabilität können auch Modelltreiber Vergleiche zwischen Beobachtungen und Klimamodellen beeinflussen. Die Treiber sind externe Faktoren, die das Klima beeinflussen, wie historische Änderungen der Sonnenintensität, Vulkanausbrüche, Treibhausgaskonzentrationen und Aerosolemissionen. Informationen zu diesen Faktoren werden in Klimamodellsimulationen der jüngeren Vergangenheit verwendet. Unvollkommenheiten in diesen Eingaben können die Modellsimulationen beeinflussen.
Aktuelle Forschungsergebnisse veröffentlicht in Geophysikalische Forschungsbriefe und unter der Leitung von John Fasullo, einem Wissenschaftler am National Center for Atmospheric Research und Mitautor der neuen Studie, hat gezeigt, dass Verzerrungen bei Aerosolemissionen aus der Verbrennung von Biomasse die Oberflächenerwärmung ab der simulierten Mitte der 1990er Jahre künstlich verstärken können, insbesondere über die Arktis und Kontinente in der nördlichen Hemisphäre.
Fasullos Forschung wurde in dieser neuen Studie erweitert, um festzustellen, ob Verzerrungen bei Aerosolemissionen aus der Verbrennung von Biomasse auch die Erwärmung in der tropischen Troposphäre beeinflussen.
„Unsere Analyse zeigt, dass Diskontinuitäten in den Aerosolemissionen der Verbrennung von Biomasse, die in Modellsimulationen verwendet werden, die simulierte Erwärmung in der tropischen Troposphäre beeinflussen“, bemerkte Fasullo. „Während dieses Ergebnis spezifisch für das Community Earth System Model von NCAR ist, ist es wahrscheinlich, dass dieses Problem mit der Verbrennung von Biomasse auch andere Klimamodelle betrifft.“
Diese beiden Befunde – reduzierte Satellitenerwärmung aufgrund natürlicher Klimavariabilität und überschätzte Modellerwärmung aufgrund eines Problems beim Treiben von durch Biomasse verbrennenden Aerosolen – gleichen die Modell-Satelliten-Diskrepanz bei der Erwärmung der tropischen Troposphäre weitgehend aus.
Mehr Informationen:
Interne Variabilität und erzwingende Einflussmodell-Satelliten-Unterschiede in der Rate der tropischen troposphärischen Erwärmung, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2209431119
JT Fasullo et al, Falsche Erwärmung der späten historischen Ära in CESM2, angetrieben durch vorgeschriebene Emissionen aus der Verbrennung von Biomasse, Geophysikalische Forschungsbriefe (2022). DOI: 10.1029/2021GL097420 Stephen Po-Chedley et al.,