De två klimatforskare som fick 2021 års Nobelpris i fysik, Syukuro Manabe och Klaus Hasselmann, har lagt grunden till vår förståelse av jordens klimat och hur vi människor bidrar till dess förändringar. Både Manabe och Hasselmann var föregångare inom utveckling och tolkning av klimatmodeller.
Nobelpristagarnas prestation, att sätta igång utveckling och användning av klimatmodeller, leder till dagens möjligheter att förstå och beräkna klimatet. SMHI är del av den forskargemenskap som driver utvecklingen vidare i internationellt samarbete, representerar Sverige i internationell samverkan inom klimatmodellering, och drar nytta av klimatmodeller för sina tjänster och kunskap till samhället.
Kort historik om klimatmodeller
Klimatmodeller består av fysikaliska lagar och observerade processer, inlagda i beräkningsprogram som kan simulera klimatet med hjälp av kraftfulla datorer. Manabe var först med att kombinera en dynamisk modell om storskaliga luftrörelser med fysikaliska processer på liten skala, som till exempel strålning, små vertikala processer och atmosfärens utbyte med marken.
Sedan Manabe tog fram sin första klimatmodell under 1960-talet har dessa modeller utvecklats i takt med ökad förståelse av klimatprocesser och med utvecklingen av allt kraftigare superdatorer. Klimatforskare har successivt lagd till beskrivningar av allt fler processer, inte bara för atmosfären, utan också för hav, havsis, land och vegetation. Som resultat beräknas idag klimatet inklusive temperaturen i atmosfären och i havet, nederbörd, istäcke och många fler variabler; i allt högre grad även biologiska och kemiska processer som påverkar klimatet till exempel genom ämnet kol.
Ett verktyg för att förstå hur klimatet förändras
Idag är klimatmodeller ett av de främsta verktygen för att förstå hur klimatet har förändrats tidigare och hur det kan förändras i framtiden. Klimatets framtid beror på hur starkt det naturliga systemet reagerar när människor tillför extra växthusgaser. Bland forskare kallas detta "klimatkänslighet". Forskningen i denna fråga bygger på nutida observationer och indirekta historiska observationer som kan sträcka sig tillbaka i hundratals, tusentals eller ännu längre perioder. Klimatmodeller kompletterar uppskattningen av klimatkänsligheten. De tillåter djupare insyn i hur olika klimatprocesser bidrar till eller minskar klimatkänsligheten. Olika så kallade återkopplingar spelar en stor roll, till exempel kring vattenånga och förändringar i planetens förmåga att reflektera strålning. Ett minskande istäcke kan till exempel reducera reflektion av strålning och på så sätt förstärka effekten av ökande växthusgaser.
Scenarier för framtida utvecklingsvägar
Klimatmodeller används också för att beskriva klimatets framtida utveckling som svar på drivning med specifika utsläpp av växthusgaser i olika samhällsformer. Simuleringar drivs då först med befintliga observationer och sedan med antaganden om alternativa framtida utvecklingar av solens variationer, kemiska koncentrationer för de viktigaste växthusgasen, partikelhalten i atmosfären och vegetationens sammansättning ("utsläppsscenarier"). SMHI bidrar till internationella projekt med koordinerade klimatsimuleringar. Resultaten ingår i hundratals vetenskapliga arbeten som lägger grunden för FN:s klimatpanels regelbundna rapportering om klimatförändringen. Resultat från klimatmodelleringen visas också i SMHIs klimattjänst.
Naturliga svängningar i klimatet
Klimatets naturliga variabilitet, dvs naturlig förekommande svängningar i systemet uppskattas genom att simulera klimatet framåt i tiden många gånger med samma drivning, men med lite olika start. Det skapar en ensemble där varianterna av naturliga svängningar blir synliga. Ytterligare information kommer från jämförelse mellan olika klimatmodeller. SMHI använder resultaten för att uppskatta robustheten för framtidsscenarierna, det vill säga hur säker eller osäker utvecklingen är.
Om extrema händelser i attributionsstudier
Den naturliga variabiliteten försvårar uppgiften att länka ihop extrema eller ovanliga väderhändelser, som till exempel den torra sommaren 2018 eller extrem nederbörd i lokala områden, med den globala uppvärmningen.
Genom att jämföra aktuell händelse med stora ensembler av klimatsimuleringar kan det ge information om det är en naturlig svängning eller om det är en förändring som sannolikt inte uppkommit om det inte varit för den globala uppvärmningen. En sådan studie kallas attributionsstudie. SMHI deltar i motsvarande internationella samarbeten.
Regionala detaljer i klimatet
Ytterligare en användning av klimatmodeller är regional tolkning av den globala förändringen. Man ökar antal beräkningspunkter för ett område som till exempel norra Europa för att på ett mer detaljerat sätt beskriva lokala effekter. Dessa förorsakas av landskapsformen, kustlinjen och lokala markförhållanden. Klimatdata från de regionala klimatmodellerna är grunden till till exempel SMHIs klimatscenariotjänst, används för uppskattningar av klimateffekter inom till exempel hydrologi, hälsa, landbruk etc., och levererar regionala underlag för klimatanpassning.
Hav och havsnivå
Regionala klimatmodeller kopplas även till motsvarande modeller för havet och havsis, så att havsklimatet kan beräknas med konsekvenser för biologiska förhållanden och vattnets kvalitet. SMHI använder regionala havsklimatmodeller för att förstå klimatprocesser i till exempel Östersjön, Nordsjön och Arktis och för att skapa marina klimatscenarier. På global nivå används havsklimatmodeller för att beräkna och förstå effekter av havsförsurningen som uppstår pga ökat koldioxidupptag till havet från atmosfären.
Globala och regionala klimatmodeller bidrar också till scenarier och uppskattningar av framtida havsnivåer för ett antal möjliga scenarier för den globala uppvärmningen.