Nature: Краткосрочные тесты подтверждают долгосрочные оценки изменения климата
Шестичасовые прогнозы погоды использовались для подтверждения оценок изменения климата через сотни лет. Такие тесты имеют большой потенциал - но только в том случае, если системы прогнозирования погоды и прогнозирования климата будут объединены.
Насколько чувствителен климат к атмосферным уровням содержания углекислого газа? Для удвоения концентрации CO2 по сравнению с доиндустриальными уровнями некоторые модели предсказывают тревожное долгосрочное потепление более чем на 5°C. Но правдоподобны ли эти оценки? В журнале Journal of Advances in Modeling Earth Systems Уильямс и др. (Williams et al.) проверили некоторые изменения, внесённые в одну из таких моделей, оценивая её точность для очень краткосрочных прогнозов погоды. Результаты не обнадёживают - они поддерживают оценки.
Мало кто сомневается, по крайней мере, среди специалистов, что изменение климата является одной из самых серьёзных проблем, стоящих перед людьми в ближайшие десятилетия. Тем не менее, степень, в которой неконтролируемое изменение климата окажется катастрофическим, зависит от плохо изученных процессов. Возможно, наиболее важные из них касаются того, как гидрологический цикл Земли, включающий испарение, конденсацию и циркуляцию воды, будет реагировать на разогрев нашей планеты.
Одна из ключевых проблем - как облака приспосабливаются к потеплению. Если облачный покров нижнего яруса увеличивается, а верхнего яруса уменьшается, то облака компенсируют разогревающий эффект от повышенных концентраций CO2 в атмосфере и тем самым действуют в качестве отрицательной обратной связи или демпфера в отношении изменения климата, «покупая» нам некоторую передышку. Напротив, если существует положительная обратная связь с облаками - то есть, если с потеплением облачность нижнего яруса уменьшается, а верхнего яруса увеличивается - тогда, если не рассматривать вариант быстрого и полного прекращения использования ископаемого топлива, мы можем идти к катастрофе.
Так что же происходило с облаками при постепенном усилении глобального потепления? Тенденции эволюции глобального облачного покрова можно оценить только по космическим наблюдениям. Однако наборы данных, полученные с ряда спутников за несколько десятилетий, страдают от ложных артефактов, связанных с изменениями орбиты спутника, калибровкой приборов и другими факторами. Эти артефакты особенно велики при оценке глобально усредненного облачного покрова, что в настоящее время препятствует любой надёжной оценке трендов в том или ином направлении.
Вместо данных наблюдений целесообразно обратиться к оценкам, сделанным с помощью моделей климатической системы. Но существует проблема. Облака слишком малы, чтобы их можно было представить с использованием законов физики в современных моделях климата. Вместо этого они представлены относительно грубыми, вычислительно дешёвыми объёмными формулами, известными как параметризация. Они действительно описывают некоторые базовые идеи физики облаков - например, зависимость формирования и развития облачности от температуры окружающей среды, влажности и вертикальной скорости воздуха - но они далеки от изначальных оценок. Следовательно, роль облаков в изменении климата является решающей, но неопределённой.
В последние месяцы проблема обратной облачной связи была сфокусирована на результатах, полученных в ансамбле, состоящем из десятков моделей изменения климата (CMIP6; см. Go.nature.com/3garyzc). Прогнозы будущего климата на базе этих оценок включены в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), который должен быть представлен в следующем году.
Некоторые из моделей последнего поколения в CMIP6 теперь показывают чувствительность к климату, превышающую 5°C. Здесь чувствительность климата соответствует уровню глобального потепления после удвоения концентрации CO2 по сравнению с доиндустриальными уровнями - равновесию, для установления которого может потребоваться несколько сот лет. Эти значения чувствительности находятся за пределами диапазона значений, полученных ансамблем моделей CMIP5, который был включен в предыдущий Отчёт МГЭИК 2013 года. По-видимому, они возникли в основном из-за изменений в представлении облачной микрофизики, особенно при параметризации переохлажденной жидкой воды. Облачная микрофизика описывает свойства (такие как размер и относительная концентрация) капель воды и льда в облаке. От таких крошечных деталей может зависеть наше будущее.
Итак, вопрос заключается в следующем. Должны ли мы верить этим новым оценкам чувствительности климата, или они в конечном итоге будут возвращены к более ранним значениям CMIP5 по мере того, как модели будут проходить очередной раунд пересмотров?
Несколько лет назад метеоролог Марк Родвелл (Mark Rodwell) и автор этой статьи предложили метод оценки прогнозов чувствительности климата, основанный на очень краткосрочных (6-часовых) прогнозах погоды. Были получены потрясающие результаты, свидетельствующие о том, что потепление может достигать 11°C при удвоении уровня CO2. Эти высокие оценки возникли в климатических моделях, в которых конкретный параметр облачной системы, известный как конвективный унос, был установлен на необычно малые значения, которые нельзя было легко исключить, изучая точность моделирования моделей в климате. Показав, что ошибки 6-часовых прогнозов погоды значительно ухудшились при использовании модели с этими уменьшенными значениями конвективного вовлечения, авторы смогли поставить под сомнение достоверность этих исключительно больших оценок чувствительности климата.
Авторы обнаружили, что если бы была запущена современная система численного прогнозирования погоды с низким параметром конвективного вовлечения, она дала бы гораздо менее точные 6-часовые прогнозы, чем когда в модель прогноза были включены более типичные значения. Вызывает облегчение то, что низкие значения параметра, используемого в климатических моделях, были нереалистичными, и, таким образом, можно сбрасывать со счетов тревожные оценки чувствительности в 11°C.
Уильямс и др. теперь подвергли климатическую модель CMIP6 Met Office тому же 6-часовому тесту с прогнозом погоды. Авторы решили протестировать эту модель, потому что она была одной из тех, которые дали относительно большую чувствительность к климату, около 5,5°C. Модель имеет пересмотренную схему облачной микрофизики, как упомянуто выше, в которой больше капель переохлажденной воды и меньше ледяных капель.
Авторы обнаружили, что ошибки 6-часового прогноза были меньше для пересмотренной модели, чем для версии модели без ревизии облачной микрофизики. Следовательно, их результаты являются одними из лучших современных доказательств того, что чувствительность климата действительно может составлять 5°C или выше.
Короче говоря, эти результаты, опубликованные в специальном журнале и, вероятно, прочитанные немногими лицами, определяющими политику в области климата, несут далеко идущий сигнал: мы не можем позволить себе быть удовлетворёнными. Кажется, что приспособление облаков к изменению климата не даст нам передышки. Вместо этого необходимо удвоить усилия по сокращению выбросов.
Существует серьёзное предостережение в отношении общего применения этой техники. Такой тест имеет смысл только в том случае, когда модель, используемая для краткосрочного прогноза, совпадает с моделью, используемой для прогнозирования климата. Погодно-климатические модели Met Office достаточно схожи (их модель часто называют «Единой моделью»), но погодные модели в целом плохо соответствуют климатическим моделям.
Кроме того, точный 6-часовой прогноз погоды возможен только в том случае, если можно получить точные начальные условия для модели из наблюдений - процесс, известный как усвоение данных. Это сложная и требующая больших вычислительных ресурсов задача оптимизации, и большинство климатических институтов не имеют возможности ассимиляции данных. Также для точного усвоения данных требуется увеличить пространственное и временное разрешение климатических моделей, чтобы они были сопоставимы с теми, которые используются для современного прогнозирования погоды. И наоборот, параметризация в моделях прогноза погоды должна быть такой же сложной и всеобъемлющей, как и в соответствующих моделях климата; немногие центры прогнозирования погоды имеют ресурсы для этого.
Таким образом, с целью уменьшения неопределённости в оценках критических обратных облачных связей, климатические институты и центры прогнозирования погоды должны работать вместе, чтобы гарантировать максимально достижимое качество их модельных систем. Моделирование погоды и климата должно быть рационализировано во всем мире, и человеческие и вычислительные ресурсы должны быть объединены для создания унифицированных моделей погоды и климата с высоким разрешением.
