När forskare arbetar för att avgöra varför några av de senaste klimatmodellerna tyder på att framtiden kan bli varmare än man tidigare trott, en ny studie indikerar att orsaken sannolikt är relaterad till utmaningar som simulerar bildandet och utvecklingen av moln.

Den nya forskningen, publiceras i Vetenskapens framsteg , ger en översikt över 39 uppdaterade modeller som ingår i en stor internationell klimatsatsning, den sjätte fasen av Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). Modellerna kommer också att analyseras för den kommande sjätte utvärderingsrapporten från Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Jämfört med äldre modeller, en delmängd av dessa uppdaterade modeller har visat en högre känslighet för koldioxid – det vill säga, mer uppvärmning för en given koncentration av växthusgasen – även om några uppvisade lägre känslighet också. Slutresultatet är ett större utbud av modellsvar än någon tidigare generation av modeller, med anor från början av 1990-talet. Om modellerna i den höga delen är korrekta och jorden verkligen är känsligare för koldioxid än forskarna trodde, framtiden kan också bli mycket varmare än tidigare beräknat. Men det är också möjligt att de uppdateringar som gjorts av modellerna mellan det senaste jämförelseprojektet och detta orsakar eller avslöjar fel i deras resultat.

I den nya tidningen, författarna försökte systematiskt jämföra CMIP6-modellerna med tidigare generationer och katalogisera de troliga orsakerna till det utökade känslighetsområdet.

"Många forskargrupper har redan publicerat artiklar som analyserar möjliga orsaker till att klimatkänsligheten hos deras modeller förändrades när de uppdaterades, sa Gerald Meehl, en senior forskare vid National Center for Atmospheric Research (NCAR) och huvudförfattare till den nya studien. "Vårt mål var att leta efter alla teman som dök upp, speciellt med högkänsliga modeller. Det som kom upp om och om igen är att molnåterkopplingar i allmänhet, och interaktionen mellan moln och små partiklar som kallas aerosoler i synnerhet, verkar bidra till högre känslighet."

Forskningen finansierades delvis av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor. Andra anhängare inkluderar det amerikanska energidepartementet, Helmholtz-sällskapet, och Deutsches Klima Rechen Zentrum (Tysklands klimatberäkningscenter).

Utvärdera modellens känslighet

Forskare har traditionellt utvärderat klimatmodellernas känslighet med hjälp av två olika mått. Den första, som har använts sedan slutet av 1970-talet, kallas equilibrium climate sensitivity (ECS). Den mäter temperaturökningen efter att atmosfärens koldioxid omedelbart fördubblats från förindustriella nivåer och modellen tillåts köra tills klimatet stabiliseras.

Genom decennierna, intervallet av ECS-värden har varit anmärkningsvärt konsekvent – ​​någonstans runt 1,5 till 4,5 grader Celsius (2,7 till 8,1 grader Fahrenheit) – även när modellerna har blivit betydligt mer komplexa. Till exempel, modellerna som ingick i den tidigare fasen av CMIP förra decenniet, känd som CMIP5, hade ECS-värden från 2,1 till 4,7 C (3,6 till 8,5 F).

CMIP6-modellerna, dock, har ett intervall från 1,8 till 5,6 C (3,2 till 10 F), bredda spridningen från CMIP5 på både den låga och höga änden. Den NCAR-baserade Community Earth System Model, version 2 (CESM2) är en av de högre känsliga modellerna, med ett ECS-värde på 5,2 C.

Modellutvecklare har varit upptagna med att plocka isär sina modeller under det senaste året för att förstå varför ECS har förändrats. För många grupper, svaren verkar komma ner till moln och aerosoler. Molnprocesser utvecklas i mycket fina skalor, vilket har gjort dem utmanande att exakt simulera i globala modeller tidigare. I CMIP6, dock, många modelleringsgrupper lade till mer komplexa representationer av dessa processer.

De nya molnfunktionerna i vissa modeller har gett bättre simuleringar på vissa sätt. Molnen i CESM2, till exempel, ser mer realistisk ut jämfört med observationer. Men moln har ett komplicerat förhållande till klimatuppvärmningen - vissa typer av moln på vissa platser reflekterar mer solljus, kyla ytan, medan andra kan ha motsatt effekt, fånga värme.

Aerosoler, som kan släppas ut naturligt från vulkaner och andra källor samt av mänsklig aktivitet, reflekterar även solljus och har en kylande effekt. Men de interagerar med moln också, ändra deras formation och ljusstyrka och, därför, deras förmåga att värma eller kyla ytan.

Många modelleringsgrupper har bestämt att det påverkar ECS att lägga till denna nya komplexitet i den senaste versionen av deras modeller. Meehl sa att detta inte är förvånande.

"När du lägger mer detaljer i modellerna, det finns fler frihetsgrader och fler möjliga olika utfall, ", sa han. "Modeller av jordsystem idag är ganska komplexa, med många komponenter som interagerar på sätt som ibland är oväntade. När du kör dessa modeller, du kommer att få beteenden som du inte skulle se i mer förenklade modeller."

En omätbar mängd

ECS är tänkt att berätta för forskare något om hur jorden kommer att reagera på ökande atmosfärisk koldioxid. Resultatet, dock, kan inte kontrolleras mot den verkliga världen.

"ECS är en omätbar storhet, " sade Meehl. "Det är ett rudimentärt mått, skapades när modellerna var mycket enklare. Det är fortfarande användbart, men det är inte det enda sättet att förstå hur mycket stigande växthusgaser kommer att påverka klimatet."

En anledning till att forskare fortsätter att använda ECS är att det tillåter dem att jämföra nuvarande modeller med de tidigaste klimatmodellerna. Men forskare har kommit på andra mått för att titta på klimatkänslighet längs vägen, inklusive en modells transient klimatrespons (TCR). För att mäta det, modellbyggare ökar koldioxiden med 1 % per år, sammansatt, tills koldioxiden fördubblas. Även om denna åtgärd också är idealiserad, det kan ge en mer realistisk bild av temperaturresponsen, åtminstone på kortare sikt under de kommande decennierna.

I den nya tidningen, Meehl och hans kollegor jämförde också hur TCR har förändrats över tiden sedan dess första användning på 1990-talet. CMIP5-modellerna hade ett TCR-intervall på 1,1 till 2,5 C, medan utbudet av CMIP6-modellerna bara ökade något, från 1,3 till 3,0 C. Totalt, förändringen i genomsnittlig TCR-uppvärmning var nästan omärklig, från 1,8 till 2,0 C (3,2 till 3,6 F).

Förändringen i TCR-intervallet är mer blygsam än med ECS, vilket kan innebära att CMIP6-modellerna kanske inte presterar så annorlunda än CMIP5-modeller när de simulerar temperatur under de kommande decennierna.

Men även med det större utbudet av ECS, det genomsnittliga värdet för det måttet "ökade inte så mycket, " sade Meehl, bara stigande från 3,2 till 3,7 C.

"Den höga delen är högre men den lägre delen är lägre, så att medelvärdena inte har förändrats alltför markant, " han sa.

Meehl noterade också att det ökade utbudet av ECS kan ha en positiv effekt på vetenskapen genom att stimulera mer forskning om molnprocesser och moln-aerosolinteraktioner, inklusive fältkampanjer för att samla in bättre observationer av hur dessa interaktioner utspelar sig i den verkliga världen.

"Moln-aerosol-interaktioner ligger i spetsen för vår förståelse av hur klimatsystemet fungerar, och det är en utmaning att modellera det vi inte förstår, ", sa Meehl. "Dessa modellbyggare tänjer på gränserna för mänsklig förståelse, och jag hoppas att denna osäkerhet kommer att motivera ny vetenskap."