Bovenstaande grafiek stamt , zoals bekend, uit het laatste rapport van het IPCC uit 2007. Het voorspelt het temperatuurverloop  in de 21e eeuw volgens een aantal scenario’s . De rode lijn geeft het voorspelde temperatuurverloop weer volgens de IPCC scenariofamilie met een voortgaande economische groei en grootschalig gebruik van fossiele brandstoffen. Het IPCC voorspelt een gemiddelde temperatuurstijging in de 21e eeuw van 2,3 °C  +/-  0,6 °C.  Zie voor een uitgebreide behandeling van de diverse scenario’s het betreffende IPCC-rapport.

De voorspellingen zijn gebaseerd op de uitkomsten van een aantal klimaatmodellen, GCM’s genaamd. De meest geavanceerde klimaatmodellen zijn een koppeling van atmosferische modellen en oceanische modellen. Het zijn de meest complexe modellen die gebruikt worden en zijn voortdurend “under construction”. Ze zijn zo complex dat ze vaak moeilijk te analyseren zijn. De bekendste zijn HadAM3 van het Hadley Center in Groot Brittannië , GFDL CM2.X van NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory in de USA en ModelE van GISS.

Nu is het interessant om te bezien of 12 jaar na de start van de voorspelling in 2000 de klimaatmodellen het goed gedaan hebben. Hieronder is het verloop van de globale oppervlaktetemperatuur weergegeven volgens Hadcrutv3. Zoals te zien is er sinds bijna 15 jaar geen opwaartse tendens meer te bespeuren in de grafiek.

 

De beide zwarte lijnen geven de grenzen aan van de voorspelling door het IPCC tot 2015. De temperatuur blijft vlak en is de laatste jaren onder de geprojecteerde temperatuur volgens de klimaatmodellen terecht gekomen. Blijkbaar hebben de klimaatmodellen grote moeite om het temperatuurverloop te voorspellen. Hoe is dat te verklaren?

Alhoewel Global Climate Models zeer geavanceerde wiskundige modellen zijn, kennen ze een aantal tekortkomingen. De belangrijkste zijn:
• Bij koppeling van het atmosferische model aan het oceanische model moeten in sommige modellen aanpassingen plaatsvinden, de zogenaamde flux-correctie. Deze flux-correctie zorgt er voor dat het oceanische model in balans blijft. Dat is nodig omdat vaak zeestromen niet in het oceanisch model zijn opgenomen.
• In de modellen wordt geen rekening gehouden met toekomstige vulkaanuitbarstingen.
• Alle modellen schieten tekort in het voorspellen van de temperatuur in de stratosfeer.
• In de modellen wordt geen rekening gehouden met veranderingen in de stralingsgedrag van de zon.
• Convectie van warme lucht en waterdamp (latente warmte) is van grote invloed op de temperatuur aan het aardoppervlak en de uitstraling vanuit de tropopauze. Convectie zorgt ervoor dat de temperatuur aan het aardoppervlak ongeveer 63 °C lager is dan wanneer er geen convectie zou zijn! Global Climate Models hebben grote moeite met convectie, onder andere vanwege de beperkte ruimtelijke schaal waarop dit proces zich afspeelt, in combinatie met het nogal grove raster dat modellen gebruiken. Daarom wordt de bijdrage van convectie in modellen “geparameteriseerd”, een moeilijk woord voor schatten.
• Global Climate Models kunnen niet goed overweg met wolken en waterdamp in de boven-troposfeer. Daarom wordt ook hier gebruik gemaakt van parameterisering.

Maar er is nog een aspect waarin GCM’s tekort schieten. Nicola Scafetta heeft recent enkele opmerkelijke publicaties daarover het licht doen zien. Scafetta is onderzoeker aan de Duke UIniversity in North Carolina en een expert op het gebied van  statistiek en nonlineaire modellen van complexe processen. Een prima specialisatie om klimaatmodellen aan de tand te voelen. Hij bestudeerde de invloed van astronomische oscillaties op de temperatuur en vergeleek de resultaten met de klimaatmodellen die door het IPCC gebruikt worden.

Het bleek dat de huidige klimaatmodellen onvoldoende de belangrijke decadale en multidecadale oscillaties kunnen reproduceren zoals die in het temperatuursignaal van 1850 tot 2011 te zien zijn. Zie de grafiek hieronder.

Scafetta onderscheidt een viertal oscillaties in de temperatuurlijn, namelijk een van 9,1 jaar, een met een lengte van 10 tot 11 jaar, een van ongeveer 20 jaar en een van ongeveer 60 jaar. De eerste lijkt gerelateerd aan de getijdencycli  als gevolg van de aantrekkingskracht van Maan en Zon, de andere drie vinden hun oorsprong in de banen van met name Jupiter en Saturnus. In onderstaande grafiek is te zien dat er een opmerkelijke correlatie bestaat tussen het gemeten temperatuurverloop en de vier genoemde cycli.

Scafetta heeft op basis van de 4 oscillaties een model gemaakt en dat model gecalibreerd ten opzichte van een tweetal meetreeksen, namelijk de globale temperatuur van 1850-1950 ( blauwe lijn) en van 1950-2010 (groene lijn).  Calibreren is een techniek met behulp waarvan men een tweetal reeksen vergelijkt, in dit geval de gemeten waarden van de globale temperatuur en de modelmatige berekeningen van de temperatuur.  De lijnen in de grafiek zijn “detrended”, dat wil zeggen dat de lichte stijging vanaf het einde van de Kleine IJstijd tot heden eruit gehaald is.  Zie hierover onder andere in het menu “De feiten”  en dan “Temperatuur Wereld”.

Over de 60-jarige cyclus is op deze site al het een en ander geschreven in het kader van de AMO, de Atlantische Multidecadale Oscillatie.  Volgens onderzoekster De Raa van het IMAU is de AMO het gevolg van een aantal natuurlijke processen, zoals verschillen in temperatuur met als gevolg verschillen in waterhoogte, windrichting en Corioliskracht.  Zie Onder “De Feiten”  het hoofdstuk over “Temperatuur wereld” voor een uitgebreide bijdrage hierover. Scafetta  meent echter dat deze oscillatie wellicht een astronomische oorzaak heeft  (Mazzarella et al 2011).

Er is nog tenminste één oscillatie die in het model van Scafetta niet meegenomen is, en dat is de oscillatie met een periodiciteit van enkele eeuwen. In de grafiek hieronder is een viertal oscillaties weergeven met een periodiciteit van ongeveer 1000 jaar.

Zoals hiervoor al geduid zijn alle klimaatmodellen op een aantal punten geparameteriseerd. Dat geldt onder andere voor het antropogene aandeel in de temperatuurstijging van de afgelopen eeuw. Hoe sterk die antropogene invloed door de diverse modellen wordt ingeschat laat onderstaande figuur zien. De grafieken zijn afkomstig van de bijdrage van werkgroep 1 van het IPCC rapport uit 2007. Het zijn vergelijkingen tussen de globale gemiddelde oppervlaktetemperatuur (HadCRUT3, de zwarte lijnen)  en de antropogene plus natuurlijke forcings (rode lijn in grafiek a)  en alleen de natuurlijke forcings (blauwe lijn in grafiek b). De rode lijn is het gemiddelde resultaat van 58 simulaties die 14 modellen hebben geproduceerd. De blauwe lijn is het resultaat van 19 simulaties door 5 modellen.

Volgens het IPCC is er tussen 1970 en 2000 sprake van een afkoeling van 0 °C  tot 0,2 °C als gevolg van natuurlijke forcings (in dit geval enkele vulkaanuitbarstingen). De gemeten temperatuurstijging in deze periode is 0,5 °C, dus de antropogene forcing tussen 1970 en 2000 is 0,5 °C tot 0,7 °C  groot geweest.  Op basis hiervan is de temperatuurprojecties tot 2100 gebaseerd zoals we die zagen in de eerste figuur.

Hiervoor is al opgemerkt dat de onderliggende natuurkundige mechanismen voor de 4 oscillaties nog onderwerp van wetenschappelijke discussies vormen. Scafetta stelt echter dat die onderliggende mechanismen niet echt nodig zijn:  de oscillaties kunnen we volgens Scafetta beschouwen als een ‘description of the dynamical evolution of the climate system’. Klaarblijkelijk kun je de harmonische componenten van de klimaatdynamiek empirisch modelleren zonder dat je weet hebt van de onderliggende natuurkundige processen. Dat deed ook William Thomson, beter bekend als Lord Kelvin, bij het beschrijven en voorspellen van getijden.  De beroemde getijdevoorspelmachine van Kelvin is daarop gebaseerd: zie onderstaande afbeelding.

Scafetta gebruikt dezelfde benadering als Kelvin destijds en werkt die op twee manieren verder uit:

1) Bezien of de door het IPCC gehanteerde modellen de temperatuuroscillaties kunnen reproduceren
2) Bezien of er op basis van de oscillaties een model te ontwikkelen is om klimaatverandering te voorspellen

Bij de vergelijking van klimaatmodellen om te bezien of deze de globale temperatuur goed weten te reproduceren maakte Scafetta onder andere gebruik van het ‘Coupled Model Intercomparison Project’ (CMIP3). Dat is bereikbaar en downloadbaar via de onovertroffen KNMI Climate Explorer. De resultaten van het ModelE van GISS  zijn in de volgende grafiek te zien:

Vergelijking met de meetresultaten van HadCRUT3 levert het volgende beeld op:

De resultaten van GISS ModelE zijn 1 °C naar beneden verschoven om vergelijking mogelijk te maken.  Zoals te zien is is de reproductie door ModelE verre van goed. Voor alle andere door het IPCC gehanteerde modellen gelden dezelfde tekortkomingen: weliswaar laat de reproductie een stijgende trend zien, maar van bijvoorbeeld de duidelijk zichtbare 60-jarige cyclus in meetreeks van HadCRUT is in de modelsimulatie niets terug te vinden. Voor alle andere klimaatmodellen geldt hetzelfde: geen enkel model is in staat om de oscillaties in de meetreeks te simuleren, en de grote vulkaanuitbarstingen hebben een te groot afkoelend effect. Zie voor de andere modellen deze bijlage.

Zoals hiervoor al was aangegeven wordt de opwarming sinds 1970 vanwege antropogene forcing door het IPCC geschat op 0,5 °C  – 0,7 °C. Deze schatting vormt de basis voor de voorspellingen van het IPCC over het globale temperatuurverloop in de 21e eeuw volgens de diverse scenario’s. Scafetta toont aan dat wanneer rekening wordt gehouden met de 60-jarige cyclus de geschatte toename zeker met 0,3 °C naar beneden dient te worden bijgesteld over de periode 1970-2000.

Op basis van de 4 oscillaties die Scafetta onderscheidt in de temperatuurreeks sinds 1880 maakte hij een empirisch model dat een betere voorspelling voor de komende decennia zou weergeven dan de door het IPCC gebruikte klimaatmodellen. In bovenstaande grafiek zijn zowel de IPCC-voorspelling (groene band) als de projectie op basis van het empirisch model (blauwe band) weergeven. De gele lijn is het temperatuurverloop zonder correctie voor antropogene opwarming, de zwarte lijn is inclusief  bovengenoemde correctie. Het temperatuurverloop sinds 2000 lijkt tot nu toe inderdaad veel beter de voorspelling van het empirische model te volgen dan van de IPCC-modellen. Voor de gehele 21e eeuw ziet het plaatje er als volgt uit:

Het model is gecalibreerd ten opzichte van de temperatuurreeks 1850 – 1950 en 1950 – 2011. Het is duidelijk dat de beide curves heel goed de temperatuurvariabiliteit van 1850 tot 2011 reconstrueren, met een gemiddelde fout van slechts 0,05 °C. Volgens het empirisch model zal de globale temperatuurstijging in de 21e eeuw uitkomen tussen 0,3 °C en 1,2 °C. Vergelijk dat eens met de 1,0 °C tot 3,6 °C van het IPCC. Het model van Scafetta is vergeleken met de meeste klimaatmodellen een eenvoudig model, dat zeker verbeterd kan worden, maar het doet het tot nu toe al veel beter dan alle klimaatmodellen die het IPCC hanteert.

Toch is ook Scafetta voorzichtig: “Will my forecast curve work, hopefully, for at least a few decades? Well, my model is not a “oracle crystal ball”. As it happens for the ocean tides, numerous other natural cycles may be present in the climate system at all time scales and may produce interesting interference patterns and a complex dynamics. Other nonlinear factors may be present as well, and sudden events such as volcano eruptions can always disrupt the dynamical pattern for a while. So, the model can be surely improved. Perhaps, whether the model I proposed is just another illusion, we do not know yet for sure. What can be done is to continue and improve our research and possibly add month after month a new temperature dot to the graph to see how the proposed forecast performs ”

Scafetta weet dat  ” the science is not settled ”  ook geldt voor zijn eigen model. Menig klimaatwetenschapper kan daar wat van leren.