Hollantilaiselta ilmastotutkijalta meni usko tietokonepohjaisiin ilmastomalleihin

Taustaa ilmastomallien tarkkuudesta

Edellisessä blogissani käsiteltiin jonkin verran sitä, miksi tietokonemallit laskevat maapallon lämpötilakehityksen aivan väärin 2000-luvulle. Kuvassa 1 on eräs suosittu esitys, jonka on tehnyt professori John R. Christy Alabaman Huntsvillen yliopistosta. Hän on päässyt jopa USA:n kongressiin esittämään näkemyksiään lämpötilakehityksestä.

Kuva 1. John R. Christyn tekemä analyysi 102 tietokonemaalinen laskemat lämpötilan troposfäärin keskikerroksesta sekä säähavaintopallojen (vihreä) ja satelliittimittausten tulokset (sininen).

Vuoden 1980 jälkeen muodostunut virhe on keskimäärin n. 0,5 °C. Voin jo kuvitella ensimmäiset vastalauseet, että eihän siinä ole kysymys pintalämpötilasta. Tunnettu tosiasia on, että ilmakehässä lämpötila laskee keskimäärin 6,5 °C kilometriä kohden, joten yhteys pintalämpötilaan on hyvä ja vakiollinen. Mutta kuitenkin vakuudeksi kuvassa 2 on sama tietokonemallien virheellisyys todettavissa pintalämpötilamittauksissa Dr. Roy Spencerin tekemänä samasta Huntsvillen yliopistosta.
Kuvassa 2 on kaksi trendiä, joissa toisessa on 40 tietokonemallin (yleisimmin käytetty atmosphere-ocean coupled general circulation model eli AOGCM) keskiarvoa CMIP5:n mukaisesti ja toisessa 13 tietokonemallia CMIP6:n mukaisesti. CMIP tulee sanoista Coupled Model Intercomparison Project, joka tietokonemalleja tekevien organisaatioiden yhteisprojekti tehdä mallien vertailulaskelmia. Viimeisin projekti on CMIP6, jonka tulokset tulivat käyttöön vuonna 2020.

Kuva 2. Roy Spencerin tekemä analyysi pintalämpötilan trendeistä tietokonemallien sekä lämpötilasarja HadCRUT4.

Nämä AOGCM-mallit käyttävät Navier-Stokesin yhtälöitä (sic!) ja erilaisia energialähteitä simuloidessaan maapallon ilmaston käyttäytymistä. Joidenkin mielestä asia on näin ollen kunnossa, mutta kuvan 2 mukaan virhe sen kun kasvaa, ja sen määrä on 40 vuodessa noussut arvoon noin +0,4…0,5 °C.

Erään hollantilaisen ilmastotutkijan tarina

Hollantilainen tutkija Alexander Bakker on tehnyt Vrijen yliopistossa Hollanissa väitöskirjan nimeltä “The Robustness of the Climate Modelling Paradigm” eli vapaasti suomennettuna ”Ilmastomallien esitystavan toimivuus”. Bakkerin on työskennellyt kahdeksan vuotta ilmastomallien parissa laitoksessa nimeltä ”Royal Netherlands Meteorological Institute” eli Suomen Ilmatieteenlaitosta vastaavassa paikassa. Hän on siis nähnyt hyvin läheltä, mistä ilmastomallien kehittämisessä on kysymys.

Ilmastomalleilla tarkoitetaan tässä yhteydessä valtavia tietokonepohjaisia ilmastomalleja, joiden lyhenne on GCM tai kuten yllä AOGCM. Koska AOGCM-mallit ovat kaikkein järeimpiä yrityksiä kuvata ilmaston lämpenemisen syitä ja seurauksia, niin saattaa syntyä käsitys, että ne ovat myös kaikkein tarkimpia laskettaessa ihmisen aiheuttamaa yleistä lämpenemistä.

Mikä sai Bakkerin niin kriittiseksi näiden GCM-mallien suhteen, että hän päätti tehdä siitä väitöskirjan? Hän kertoo kohdanneensa säännöllisesti GCM-mallien tuottamia ongelmia poikkeamien (bias) muodossa (Huom! poikkeama on tieteellinen termi, jonka puhekielinen vastine on virhe). Lähes aina mallien virhe oli suurempi kuin itse mallien tuottama ilmaston muutos eli virhe oli yli 100%. Bakkerin työnä oli tehdä jotain hyödyllistä näille virheille eli yrittää poistaa ne.

Bakker pani merkille myös kaksi perustavaa laatua olevaa seikkaa, joiden varaan näitä GCM-malleja rakennetaan. Monimutkaisia malleja pidetään parempina, koska ne sisältävät enemmän fysikaalisia riippuvuuksia ja sitä kautta enemmän takaisinkytkentöjä. Toisaalta uusia monimutkaisempia malleja pidetään sitä luotettavimpina, mitä lähemmäs niiden tulokset sattuvat vanhoja yksinkertaisia malleja! Ei kuulosta kovin tieteelliseltä.

Mallien virityksessä on painavimpana tekijänä, että ne saadaan istumaan mahdollisimman hyvin ilmakehän yläosassa (Top of the Atmosphere) vallitseviin säteilymääriin. Tämä johtuu siitä, että GCM-malleissa ei oleteta juurikaan muutoksia auringon säteilymäärässä ja sen vuoksi maapallon avaruuteen säteilemän määrän tulee pysyä vakiona. Tämä oletus näkyy erittäin hyvin mm. AR6:ssa, jonka mukaan auringon säteilyteho on laskenut 0,02 W/m2 vuodesta 1750 vuoteen 2019 (huikea tarkkuus on ollut jo vuonna 1750, kun kokonaistaso on luokkaa 340 W/m2). Väitöskirjassaan Bakker yksilöi näitä asioita tarkemmin, miksi hänen mielestään GCM-mallit ovat joutuneet kriisiin.

GCM-mallien ongelmat tulevat esiin tänä päivänä siinä, kuinka näiden mallien antamat lämpenemisarvot poikkeavat merkittävästi todellisesta maapallon lämpötilasta. Hans von Storch Max Planck Instituutista on työryhmänsä kanssa julkaissut tutkimusraportin, jonka mukaan 22 GCM-mallia antoivat vuosivälille 1998-2012 lämpötilaennusteen, joka oli paikkansapitävä alle 2%:n todennäköisyydellä. Tämän seikan voi jokainen havaita pelkästään silmäilemällä kuvia 1 ja 2.

Bakker tuo myös esiin huonosti tunnetun seikan, että GCM-mallit antavat samoja tuloksia kuin IPCC:n yksinkertainen malli. Asian voi pelkistää myös niin, että yksinkertainen malli on valitun GCM-mallijoukon keskiarvo. Yksinkertainen malli on yhtälö pintalämpötilan ja ilmastopakotteen välille:

dTs = CSP * RF,

jossa dTs on pintalämpötilan muutos, joka aiheutuu ilmakehän ylärajalla tapahtuneelle säteilypakotteen (RF) muutokselle, jossa CSP (käytetään myös merkkiä λ) on ilmastoherkkyysparametri. CSP on viimeisen IPCC:n raportin AR6 mukaan käytännössä vakio 0,47 K/(W/m^2) ja se tarkoittaa positiivista veden takaisinkytkentää kaksinkertaistaen kasvihuonekaasujen vaikutuksen. Juuri tähän viittaa Bakkerin havainto, että virhe oli usein 100 %:n luokkaa. Esimerkiksi IPCC:n ilmastoherkkyys TCS/TRC saadaan kertomalla AR6-mukainen CO2:n säteilypakotteen arvo 3,93 W/m^2 CSP:n arvolla 0,47 K(/W/m^2), jonka tulos on 1,85 astetta. IPCC:n virallinen TCS/TRC-arvo on 1,8 astetta.

Muistutan myös, että oma arvoni on, että TCS on 0,6 °C. Ero johtuu tuosta veden positiivisesta takaisinkytkennästä ja CO2:n pienemmästä säteilypakotteesta. Mutta se on toinen juttu, sanoi Kipling.

Paluu AR6:n osoittamaan ilmastomallien virheeseen

Pieni kertaus edellisestä blogista. Osoitin, että AR6 osoittaa IPCC:n mukaan lämpenemistä vuodesta 1750 vuoteen 2019 yhden desimaalin tarkkuudella 1,3 °C ja ilmastomallien mukaan lämpeneminen on ollut samansuuruinen. Tämä käy ilmi kuvasta 3, jossa mitattu musta lämpötilakäyrä on käytännössä päällekkäin vuonna 2019 ilmastomallien avulla lasketun punaisen käyrän kanssa. Ja vielä vahvistus IPCC:n yksinkertaisen mallin avulla, että lämpötilanmuutoksen aiheuttama kokonaissäteilymäärä 2,70 W/m2 (Fig. 7.6/AR6) aiheuttaa lämpötilanmuutoksen dTs = 0,47 * 2,70 = 1,27 ~ 1,3 °C. Yksinkertaista eikö totta ilman osittaisdifferentiaaliyhtälöitä.

Kuva 3. Wikipedian kuva AR6:n mukaisesta lämpötilatrendistä tietokonemallien mukaan laskettuna. Yhtäläiset viivat ovat keskiarvoja ja taustalla näkyvät värilliset alueet kuvaavat eri mallien antamia vaihteluvälejä. Observed temperature = mitattu lämpötila, Human and natural drivers = ihmisen ja luonnon ilmastopakotteet, Natural drivers only = luonnon aiheuttamat pakotteet.

Kuvassa 3 kiinnittää huomiota kunkin käyrän taustalla oleva varjostettu alue. Se kuvaa tietokonemallien antamaa hajontaa eli ne laskevat hyvin erilaisia arvoja mallista riippuen. Mallien antama arvo vaihtelee vuonna 2019 arviolta välillä 1,0 – 1,9 °C. Se on linjassa sen kanssa, että TCS vaihtelee IPCC:n mukaan välillä 1,4 – 2,2 °C.

Tulkitsin erään kommentin aikaisemmassa blogissani, että minun pitäisi tietää ilmastontutkijana syyt näihin tuloksiin. En tiedä, eikä niin tunne kukaan muukaan yksittäinen tutkija. Kuten Bakker kertoi, mallien sisällä tehdään raivokkaasti työtä, jotta tulokset saataisiin jonkinlaisiin hyväksyttäviin raameihin. Siis tuunataan. Niistä tuunauksista muilla ei ole dokumentoitua tietoa.

Sitten kysymykseen lyhytaaltoisen säteilyn muutoksesta eli anomaliasta 2000-2019, joka on esitetty IPCC:n mukaan kuvassa 3 (paksu musta käyrä perustuen mittaukseen CERES satelliiteilla). Se perustuu Loeb et al.:n tutkimukseen vuodelta 2016. Minun tutkimukseni asiasta julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 2020, joten en päässyt referoitavien tutkimusten joukkoon, vaikka käyrä on ihan sama (ironiaa).

Kuva 4. IPPC:n kuva globaalista lyhytaaltoisen säteilyn anomaliasta eli poikkeamasta vuosina 2001 – 2019 ja se on sama kuin kuva 7.3 / AR6.

Kuvassa näkyy tietokonemallien antamia käyriä ja niiden keskiarvo paksulla punaisella viivalla. Keskimäärin tulos on aika lähellä mitattuja arvoja välillä 2003 – 2014. Sitten lyhytaaltoisen säteilyn anomalia äityy suureksi ja virhe kasvaa merkittäväksi.

Tehkääpä sitten silmämääräinen vertailu tämän punaisen käyrän poikkeaman arvoilla 2015-2017 kuvan 3 vihreään käyrään, joka vetää nollan tuntumassa. Vuodet 2018-2020 on jostain syystä jätetty pois, vaikka tiedot ovat olemassa. Johtopäätös on selvä: lyhytaaltoisen säteilyn anomalia on jätetty pois tietokonemallien laskemasta lämpötilasta.

Numeerinen todisteaineisto lyhytaaltoisen säteilyn poisjättämisestä voidaan tehdä vertaamalla AR5:n ja AR6:n arvoja IPCC:n yksinkertaisen mallin tietojen pohjalta. IPCC-jaottelun mukaan säteilymuutos pitäisi näkyä joko kohdassa Aerosoli-pilvet tai Aerosoli-säteily, mutta ei näy, koska nyt pakotearvo on – 1,06 W/2, sillä AR5:ssä se oli pienempi eli -0,82 Wm-2. Entä sitten, jos mukaan otetaan myös albedo-vaikutukset? AR5:n albedon, aerosolien, pilvien ja säteilyn arvo oli -0,97 W/m2 ja AR6:n arvo -1,12 W/m2 eli se on vähentynyt 0,05 W/m2.

Kokonaispakoteen muutos oli AR5:ssä 2,26 W/m2 vastaten lämpötilan muutosta 1,10 °C ja AR6:ssa kokonaispakote on 2,70 W/m2 vastaten lämpötilamuutosta 1,27 °C eli muutosta 0,17 °C vuodesta 2011 vuoteen 2019 mennessä. Mielenkiintoinen on havainto, että hiilidioksidi on aiheuttanut säteilypakotteen lisäystä AR5:stä AR6:een 0,22 °C eli muut tekijät ovat hieman pienentäneet tämän kaikkein vahvimman kasvihuonekaasun vaikutusta. Lyhytaaltoisen säteilyn voimakkaasta lisäyksestä vuodesta 2011 vuoteen 2020 mennessä yhteensä 1,61 W/m2, joka antaa lämpötilavaikutuksen 0,47*1,61 = 0,76 °C. Todellisuudessa IPCC:n mallit antavat vuoden 2019 lämpötilan nousuksi siis 1,27 °C + 0,76 °C = 2,03 °C (pyöristäen 2 °C), jossa virhettä mitattuun lämpötilaan peräti 54 %.

Kylmä totuus on, että IPCC jätti tämän muutoksen pois, koska se osoittaa IPCC:n tieteen virheellisyyden ja Pariisin sopimuksen tarpeettomuuden.

Lisäys 1.11.2021 klo 15:30.

Kuva 5. Mitatut lämpötila ja lasketut lämpötilat IPCC:n arviointiraporttien mukaan.

Kävin läpi ihan mielenkiinnosta, miten CarbonBrief-sivusto (myöh. CB)  on laskenut nämä erot IPCC:n malli versus mitattu lämpötila. Lämpötilamittausten kalibrointi on erilainen minulla ja CB:llä. Minä olen kalibroinut kuvassa 5 näkyvät lämpötilat Gistemp (=NASA) ja UAH-lämpötilan AR5:ssä olleen IPCC:n tiedon mukaan, että lämpötila oli noussut 0,85 °C vuodesta 1750 vuoteen 2011 mennessä. CB on kalibroinut lämpötilan keksiarvon 1970-1990 mukaan, joten heidän lämpötilansa ovat selvästi pienempiä kuin minun. Sen vuoksi olen lopuksi laskenut molemmissa tapauksissa, mikä on ero IPCC-mallin ja mitatun lämpötilan kesken. CB:n lämpötiloista olen valinnut NASA:n lämpötilan vertailukohdaksi, koska se on sama kuin minulla.

Olen jättänyt toisen arviointiraportin SAR vertailun pois, koska en löydä raprotista kokonaissäteilypakotteen arvoa. Sitten vertailemaan tuloksia:

• Vuoden 2005 RF-arvo on AR4:n mukaan laskenut arvosta vuoden 2000 arvosta 2,05 W/m2 arvoon 1,72 W/m2 ja tietysti lämpötila sen mukaisesti, mutta CB on sitä mieltä, että mallin mukaan lämpötila kuitenkin nousi. IPCC selvästi viritti vuoden 2005 RF-arvon niin, että se vastaisi riittävän hyvin mitattua lämpötilaa (0,86 °C / 0,91 °C).
• RF-arvoista laskemani lämpötilaerot ovat vuosina 2000 ja 2011 selvästi suurempia omien laskelmieni mukaan uin kCB:n laskemat lukuun ottamatta vuotta 2005, jonka RF-arvon IPCC viritti kohdalleen (ja jäi kiinni).
• Vuosi 2019 on mennyt, kuten moneen kertaan on todettu, ihan kohdalleen IPCC-mallin ja mitatun lämpötilan mukaan. Tällä kertaa IPCC:n piti viritti asia niin, että lyhytaaltoisen säteilyn lisäys jätettiin pois, jonka RF-arvo on 1,61 W/m2 vuonna 2019 aiheuttaa kokonaissäteilypakotteen arvon nousun arvoon 4,31 W/m2 ja vastaava lämpötila =0,47*4,31 = 2,03 °C (virhe 54 %).

En löytänyt CarbonBriedistä selitystä, miten he ovat laskeneet IPCC:n mallin antamat lämpötilat. Minulla ne ovat selvät: raporttien ilmoittamien RF-arvojen perusteella käyttäen IPCC:n tiedettä, että lämpötilan nousu on ilmastoherkkyysparametri (CSP) kertaa RF-arvo. Vuoteen 2011 saakka olen käyttänyt silloista CSP-arvoa 0,5 ja AR6:n CSP=0,47.

Jos tuunaa IPCC arvojaan, niin myös tekee CarbonBrief saadakseen tulokset kohdalleen. Eipä yllätä.