Hoe zit dat met dat CO2 en opwarming?

Sinds 1850 is de gemiddelde temperatuur op aarde met ongeveer 0,8 °C  gestegen. Dat is niet schokkend veel lijkt me. Maar vanaf het moment dat er een verband werd gelegd tussen die opwarming en de stijging van het atmosferisch CO2 zoals we dat sinds 1958 meten is het hek van de dam. ‘Klimaatverandering’ is hot, very hot. Tijd dus om eens ‘cool’  naar de cijfers te gaan kijken.

Momenteel wordt breed gedragen dat de recente opwarming van het aardse klimaat vooral het gevolg is van het stijgend CO2-gehalte van de atmosfeer. En dat is weer vooral het gevolg van menselijke activiteiten. Dat brede draagvlak voor deze hypothese is het gevolg van een statement van het IPCC:

ipcc en co2

Bron:  IPCC, Climate Change 2014 Synthesis Report, Summary for Policymakers

Hoe het IPCC er bij komt om te beweren dat de stijging van broeikasgassen vanwege menselijke activiteiten  “…. extremely likely to have been the dominant cause of the observed warming since the mid-20th century”  blijft vooralsnog onduidelijk. Boze tongen beweren dat het bij handopsteken vastgesteld is, een natuurkundig bewijs is er niet.

Collega Jan Ruis heeft zich over de vraag gebogen hoe groot het aandeel van CO2 is in de recente opwarming. Het IPCC spreekt in haar statement hierboven van de periode vanaf 1950, daarmee wijselijk de opwarming van 1910-1945 buiten de discussie plaatsend. De (antropogene) uitstoot vanwege industrialisatie kwam immers pas na de Tweede Wereldoorlog echt op gang:

co2 emissies

Bron: CDIAC

De vraag van Jan was: hoeveel van de opwarming sinds 1979 is natuurlijk en hoeveel is CO2-gerelateerd? Hij maakte daarbij gebruik van een statistische techniek genaamd meervoudige regressieanalyse  (multipele regressie). Meervoudige regressieanalyse is een geavanceerde statistische techniek die gebruik maakt van meerdere verklarende variabelen  (hier CO2 en de  oceanische oscillaties AMO en ENSO), om de effecten op een afhankelijke variabele (wereldtemperatuur) te onderzoeken .

AMO is de Atlantische Multidecadale Oscillatie, de schommelingen in de temperatuur van het Noord-Atlantische oppervlaktewater. ENSO is de verandering in watertemperatuur in het tropische deel van de Pacific, bekend als El Niño en La Niña.

amo 1860 2014

ENSO wordt gezien als een natuurlijke variatie, over AMO wordt nog discussie gevoerd of het een interne variabele is dan wel het gevolg van opwarming. De uitkomst van die discussie neigt momenteel naar die van een interne variabele. Daarvoor zijn diverse aanwijzingen. Zo reconstrueerden Tung & Zhou (2013) de AMO vanaf 1850 en toonden een verrassend verband aan tussen AMO, CET (Central England Temperature) , temperatuur op NH en zelfs op globale schaal.

 

amo index door eeuwen

Bron: Tung & Zhou

Onderstaande grafiek geeft het verloop weer van de globale temperatuur volgens de datareeks HadCRUT4  van 1860 -2014. De rode lijn is de lineaire trendlijn. In de signaallijn is een multidecadale variabiliteit te zien, die we al vele malen hier in berichten tegen zijn gekomen.

t1

Als we de trend uit de grafiek halen houden we alleen de variabiliteit over. Als we dan het signaal van de AMO erin plakken komt dat er zo uit te zien:

t2

Hoe groot de invloed is van de NAO kunnen we testen met multipele regressie in Excel. De seculaire trend is de lineaire trend van HadCRUT4 (0,052°/decade). De multidecadale variabiliteit is de AMO. We betrekken ook de invloed van de ENSO erbij.

trend en multidec var

Het resultaat ziet er dan zo uit:

 

mulktidecal amo temp

Op het oog een goede fit. Het model verklaart 78% van de variantie in de temperatuur. De multidecadale variabiliteit kan dus uitstekend worden verklaard met de AMO. De interacties tussen AMO en ENSO (en tussen CO2 en AMO, zie verder) zijn verwaarloosbaar. De ‘detrended’ AMO van ERSST is vooraf gladgestreken (‘smoothed’) met een 161-maanden filter.

Chylek et al (2014) deden meervoudige regressieanalyse  met alleen CO2 en AMO. Klimaatmodellen rekenen met LN(CO2) en dat betekent dat de seculaire trend exponentieel zal zijn, niet lineair zoals in bovenstaand model. Wat levert de beste fit op? We doen de multipele regressie opnieuw maar nu met LN(CO2): de log van de atmosferische CO2 concentratie:

ln co2

In deze reeksen is gecorrigeerd voor de AMO en ENSO. We zien dat het model met de lineaire trend passender is dan het model met LN(CO2), dat vooral na 1940 uit de pas gaat lopen. Ook uit het residu (model minus metingen) blijkt dat het lineaire model een betere fit oplevert: de residue trend is 0 terwijl het model met LN(CO2) een kleine negatieve trend heeft. Ook de standaard deviatie en de verklaarde variantie (R2) van het lineaire model zijn beter (78% versus 76%). Bovendien is het resterende patroon (licht sinusoïde) te verklaren met het feit dat AMO variaties voorlopen op de variaties in de wereldtemperatuur.

De lineaire trend van 0,0515°C/decade zoals we die zien in de temperatuurreeks van HadCRUT4 is hoogstwaarschijnlijk het gevolg van CO2 en feedbacks en aerosolen. Wat zegt deze trend over de klimaatgevoeligheid van CO2? We moeten dan eerst weten wanneer de CO2 concentratie verdubbeld is:

co2 projection

De doorgetrokken trend voorspelt dat de CO2 in 2070 verdubbeld is ten opzichte van 1860. 2070 – 1860 = 21 decades. De zogenoemde ‘transient climate sensitivity’ is dan : 21 x 0,0515ºC/decade = 1,08 ºC.  Deze waarde ligt op de uiterste ondergrens van de IPCC projecties: “The transient climate response is better constrained than the equilibrium climate sensitivity. It is very likely larger than 1°C and very unlikely greater than 3°C”!

Komen we nu bij de centrale vraag: hoeveel van de opwarming sinds 1979 (de satellietperiode) is natuurlijk en hoeveel CO2-gerelateerd?

moidellen temp

We hebben het hier al vaker vastgesteld: Global Climate Model projecties (GCM RCP8.5) overschatten de gemeten opwarming behoorlijk, sinds 1979 met tenminste 145%. Als de satellieten betrouwbaarder zijn dan de meetstations aan de grond dan is dit zelfs 205%.

Volgens het multipele regressiemodel is de trend van 0,052°C/decade antropogeen. Dus zijn hogere trends het gevolg van de AMO. Omdat de AMO sinds 1975 weer in de richting van de positieve fase gaat zal dit de trend in de metingen verhogen. Daarom kan tenminste 50% van de opwarming aan de natuurlijke multidecadale variabiliteit van de AMO worden toegeschreven. Als we uitgaan van de satellieten is dit zelfs 65% !

Tung & Zhou gebruikten multipele regressie met de AMO en een lineaire trend en schreef 40% van de opwarming in de laatste 50 jaar toe aan de AMO. Chylek et. al. (2014) gebruikt multipele regressie met CO2 en AMO en schreef 1/3 van de opwarming sinds 1975 toe aan de AMO. Zijn lagere waarde valt deels te verklaren met zijn gebruik van LN(CO2) in het regressiemodel. Andere bijdragen komen van het gebruiken van GISS (die de hoogste temperatuurtrend levert) en de volgens Bob Tisdale niet geschikte AMO van NOAA ESR.

m1

Hoeveel opwarming kunnen we nog verwachten tot het jaar 2100? In bovenstaande grafiek zijn de drie reeksen op dezelfde manier geschaald vanaf 1860 (met anomalie 1981-2010), dus vergelijkbaar. Het GCM RCP6.0 ‘multi-model mean’ model toont een bijna lineaire trend waaruit blijkt dat er tot 2100 nog ongeveer 2 graden opwarming bijkomt. Het multipele regressiemodel (rood), dat gebaseerd is op de lineaire trend van 0,052°C/decade en de AMO, verwacht slechts ~0,5 graden erbij. Hierbij is verondersteld dat de AMO binnenkort weer terugkeert naar de negatieve fase. De AMO vanaf 1875 is hiervoor gereproduceerd. Het multipele regressiemodel, gebaseerd op LN(CO2) en de AMO, verwacht nog ~1,5 graden erbij. Zoals aangetoond is dit model minder waarschijnlijk. Beide regressiemodellen voorspellen veel minder opwarming dan het RCP6.0 model. De volgende grafiek toont de projecties als geen rekening wordt gehouden met de AMO:

m2

Wat zegt de geringe lineaire opwarmingstrend van 0,05°C/decade over de terugkoppelingen in het klimaatsysteem? De klimaatgevoeligheid van CO2 zonder terugkoppelingen is 1,1°C. De klimaatmodellen rekenen met een positieve terugkoppeling met een factor 2-3, wat neerkomt op een klimaatgevoeligheid van 2-3 graden. De transient klimaatgevoeligheid van 1,08°C, berekend uit het multipele regressiemodel, ligt daar ver onder. Dat zou mogelijk kunnen duiden op afkoeling door aerosolen, licht negatieve terugkoppelingen door meer bewolking, minder waterdamp, de stabiliteit van het wereldwijde zee-ijsoppervlak of de grote warmtecapaciteit van de oceanen.

Conclusies:

  • De projecties van de IPCC klimaatmodellen tonen veel meer opwarming dan de meetgegevens.
  • Ongeveer 50-65% van de opwarming sinds 1979 kan worden toegeschreven aan natuurlijke variabiliteit veroorzaakt door de AMO
  • Het multipele regressiemodel voorspelt nog extra 0,5°C opwarming tot het jaar 2100 terwijl het RCP6.0 klimaatmodel nog 2 graden extra opwarming verwacht.
  • De IPCC klimaatmodellen rekenen niet met de natuurlijke multidecadale variabiliteit in de oceanen, met name de AMO, waardoor de projecties veel hoger uitkomen.

Veel dank aan Dr. Jan Ruis, het brein achter deze bijdrage!  Een volgende keer graag iets meer over AMO, CO2 en het drijfijs op de noordpool.