Om klimatmodeller och scenarier

Klimatmodeller

Klimatmodeller är representationer av fysikaliska processer inom och mellan atmosfären, landytan, haven och havsisen. I vissa modeller finns även sjöar och ytterligare komponenter med. I globala klimatmodeller delas atmosfären, landytan och haven upp i ett tredimensionellt rutnät (grid), som sträcker sig upp i atmosfären, ned i haven och täcker även hela jordens yta.

Klimatmodellen körs sedan över någon historisk, nuvarande eller framtida period. I varje punkt i rutnätet så beräknas tidsutvecklingen av meteorologiska, hydrologiska och oceanografiska parametrar.

En fullständig klimatsimulering måste göras med globala klimatmodeller eftersom klimatsystemet är sammankopplat i tid och rum. Det som händer någonstans på jorden får snart betydelse för förhållandena någon annanstans.

En omfattande klimatmodell kräver mycket datorkraft. Därför måste rutnätet i en global modell vara ganska glest. Det ger väldigt lite detaljer på regional och lokal skala. Regionala klimatmodeller kan användas till att studera särskilda områden mer i detalj, t.ex. Europa. Ett mindre område gör det möjligt att ha ett tätare rutnät, och följaktligen mer detaljerade resultat.

Det som händer utanför beräkningsområdet i en regional klimatmodell styrs av resultatet från en global klimatmodell. Dessa används som så kallade randvillkor i den regionala simuleringen.

Vid SMHI används Rossby centrets regionala klimatmodell, RCA3 (Kjellström et al. 2005). Randvillkoren kommer från globalmodellerna ECHAM4 och ECHAM5, som Max-Planck-institutet för meteorologi i Hamburg vänligen ställt till förfogande (Roeckner et al. 1999).

Upplösning

RCA3-modellen täcker Europa. Den regionala, horisontella upplösningen är ungefär 50x50 km.

Klimatscenarier

När klimatmodeller används för att simulera en viss period, så behövs information om möjliga förändrade förhållanden (t.ex. markanvändning, solvariation etc.). När det handlar om klimatförändringsscenarier med mänsklig påverkan så har IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change, Nakicenovic, N. & Swart, R. (ed.), 2000) utarbetat scenarier som beskriver världens utveckling fram till år 2100. Scenarierna gör olika antaganden om världens befolkningsmängd, ekonomiska tillväxt, teknologiska utveckling etc. Utifrån dessa antaganden kan man sedan uppskatta hur mycket växthusgaser som kommer att släppas ut varje år. Dessa utsläpp ger i sin tur upphov till förändringar i atmosfärens sammansättning, som till exempel mängden koldioxid i luften. Det är viktigt att komma ihåg att resultatet från alla beräkningar av det framtida klimatet baseras på antaganden om världens utveckling.

Här visas regionala klimatförändringssimuleringar för perioden 1961 till 2100. Modellerna visar möjlig respons på utsläpp från mänsklig aktivitet, men också den interna (utan yttre påverkan) variabiliteten i varje scenario, från 1961 och framåt. Resultaten kan därför skilja sig något från varandra redan i de första årtiondena. Senare så kommer förstås även skillnaderna i antagandena om atmosfärens sammansättning leda till skillnader mellan klimatscenarierna.

Ett sätt att utvärdera klimatmodeller är att jämföra modellsimuleringar och observationer från historiska och nuvarande perioder. Då används ofta den så kallade normalperioden 1961-1990. Utvärderingen mäter modellens förmåga att återskapa medelförhållanden, men också statistiska egenskaper som variabilitet och extremer. Perioden 1961-1990 används ofta också som referens när man tittar på klimatförändringar. Scenarioresultat kan följaktligen uttryckas som skillnaden jämfört med 1961-1990.

Observationer görs vid stationer, med satelliter eller väderballonger o.s.v. Observationer representerar förhållandena i en specifik punkt, eller för ett visst område. Klimatmodeller har ett regelbundet rutnät, och simulerar medelvärdet av förhållandena i en ruta. Det innebär svårigheter att direkt jämföra modellresultat med observationer. Om man som exempel tittar på nederbörd så kan det falla stora mängder nederbörd lokalt vid en mätstation, men små mängder eller inget alls vid närliggande mätstationer. Om samma nederbördsmängd faller i modellen så sprids den jämnt i gridrutan. Även om nederbördsmängden är samma i modellen som i observationen, så blir intensiteten mycket lägre i modellen än den som uppmättes i en av mätstationerna i verkligheten.

Scenarier är inte prognoser

Klimatförändringssimuleringar ger "scenarier", inte "prognoser". Dels på grund av att simuleringar baseras på antaganden om världen i framtiden. Dels för att klimatmodeller inte återskapar det verkliga vädret på en specifik plats i en enskild tidpunkt. En klimatmodell av god kvalitet ger en sannolik realisering av vädret, med realistiska statistiska egenskaper. En väderprognos å sin sida försöker ge information om vad som ska hända på en specifik plats vid ett visst tillfälle. Icke-linjäriteten i klimatsystemet begränsar längden på en användbar väderprognos, men gör det ändå möjligt att realistiskt beräkna utvecklingen av ett klimatsystem över mycket längre tid. Det är grunden för klimatsimuleringar.

Osäkerhet

De resultat som presenteras här baseras på olika utsläppsscenarier och olika globala klimatmodeller. De globala resultaten är nedskalade med en regional klimatmodell för att ge mer detaljerad information. Dessa resultat baseras på vetenskapligt framtagna scenarier, men är endast några av många tänkbara. Samstämmighet mellan olika resultat är ett mått på resultats robusthet, medan skillnader tyder på osäkerhet.

Det finns många gemensamma drag i resultaten, till exempel uppvärmningen under alla årstider och nederbördsökningar på vintern. Osäkerhet i sin tur hänger ihop med:

  • Vilka utsläppsscenarier som används.
  • Klimatmodellerna.
  • Naturlig variabilitet.

Ett utsläppsscenario är ett antagande om hur utsläpp av växthusgaser utvecklas. Resultat från beräkningar bygger alltså på dessa antaganden. De utsläppsscenarier som används här är både konsistenta och tänkbara, men ingen av dem kan anses som mer trolig än de andra.

I studier där man jämför olika klimatmodeller är spridningen i modellresultat ganska stor för en del klimatvariabler. Detta hänger ihop med att olika modeller beskriver processerna i klimatet på olika sätt. Det kan även påverka hur mycket klimatet beräknas förändras om halterna av växthusgaser förändras. Vetenskapligt handlar detta om frågan om klimatsystemets känslighet för påverkan, och de så kallade återkopplingarna. Förändringar i moln som en följd av ett varmare klimat är ett exempel.

Den tredje osäkerhetsfaktorn är naturlig variabilitet. Man ska inte förvänta sig att modellens klimat är i fas med det verkliga klimatet. Däremot ska bra klimatmodeller beräkna bra medelvärden och en representativ, karakteristisk variabilitet av klimatet, t.ex. rätt antal kalla och varma vintrar under en trettioårsperiod. De varma och kalla vintrarna kan ändå infalla i en annan sekvens än i det observerade klimatet.

Dessa osäkerheter studeras just genom att göra flera beräkningar med olika utsläppsscenarier, klimatmodeller och olika initialvillkor. Att titta på resultat från flera modellsimuleringar ger en möjlighet att ta hänsyn till osäkerheter, men också att bedöma vilka resultat som är robusta. Det kan verka förvillande med resultat som verkar motstridiga, men man bör ta vara på den extra information som finns i detta. Om modellerna ger olika resultat är det helt enkelt ett osäkert resultat. Om modellerna å andra sidan ger liknande resultat är det ett säkrare resultat.

Förutom att titta på flera scenarier var för sig, kan man med statistiska metoder och särskilda analyser kombinera flera simuleringar och få ett resultat som dels är bättre än varje enskild simulering, dels ger ett sammanslaget men ändå ganska komplett dataunderlag.

Koordinater

I RCA används ett roterat koordinatsystem. Det innebär att nord- och sydpolen i koordinatsystemet inte ligger på samma platser som den geografiska nord- och sydpolen. Det gör man för att få ett så jämnt avstånd mellan modellens longituder och latituder som möjligt, och uppnå en jämn upplösning i modellområdet. När man använder resultaten i ett reguljärt grid behöver de först transformeras till ett lämpligt koordinatsystem.

Använda modeller och scenarier

Data finns tillgängligt från simuleringar med dessa modeller och scenarier.

ECHAM4: A2 och B2
ECHAM5_r1: A1B, A2 och B1
ECHAM5_r2: A1B
ECHAM5_r3: A1B

För scenario A1B har modellen ECHAM5 körts tre gånger med olika initialvillkor, dessa tre körningar numreras r1, r2 och r3.

Nya filformat

Filformaten och enheterna har anpassats till den internationella standarden för klimatdata, CF (http://cf-pcmdi.llnl.gov/). Variablerna har bytt namn och in några fall enhet. Några av variablerna har också summerats på ett nytt sätt, det gör att det finns skillnader mellan de gamla och nya filerna som inte beror på enheterna (se lista över förändringar i filnamn, variabelnamn, enheter, summering här).

Referenser

Kjellström, E., Bärring, L., Hansson, U., Jones, C., Samuelsson, P., Rummukainen, M., Ullerstig, A., Willén, U. and Wyser, K., 2005. A 140-year simulation of European climate with the new version of the Rossby Centre regional atmospheric climate model (RCA3). SMHI Reports Meteorology and Climatology No. 108, SMHI, SE-60176 Norrköping, Sweden, 54 pp.

Lind, P. och Kjellström, E., 2009. Temperature and precipitation changes in Sweden, a wide range of model-based projections for the 21st century. SMHI Reports Meteorology and Climatology No. 113, SMHI, SE-60176 Norrköping, Sweden, 50 pp.

Nakicenovic, N. & Swart, R. (ed.), 2000. Special report on emissions scenarios. A special report of Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press. 612 pp.

Roeckner, E., Bengtsson, L., Feichter, J., Lelieveld, J. and Rodhe H., 1999. Transient climate change simulations with a coupled atmosphere-ocean GCM including the tropospheric sulphur cycle. J. Climate, 12, 3004-3032.