Kan klimatet förutsägas?

Lennart Bengtsson är professor i meteorologi vid University of Reading, Storbritannien. Här kommenterar han en högaktuell fråga.

De senaste två kalla vintrarna har sannolikt förvånat många som hade förväntat sig fortsatt milt vinterväder, inte minst efter en period med mer än 20 år av sådant mildväder. Hur kan detta vara möjligt, frågar sig säkert flera, när ökningen av mängden växthusgaser fortsätter med stigande intensitet? Inte minst bland dem som ifrågasätter växthuseffektens inverkan på klimatet har det varit populärt att visa hur mycket temperaturkurvan avviker från atmosfärens koldioxidökning, och därvid med hjälp av ett enkelt diagram antyda att dessa kurvor antagligen har föga eller intet gemensamt. Implikationen är att bristen på detaljöverensstämmelse betyder att klimatsimuleringarna är irrelevanta eller helt otillförlitliga.

Men inte bara dessa klimatskeptiker syndar genom att övertolka temperaturtrender på någon eller några decennier. Det intensiva El Niño-fenomenet under 1997/98, till exempel, ledde till ett ovanligt varmt 1998 och användes i 2007 års IPCC-rapport(1) som ett exempel på en accelererande global uppvärmning. Detta var ingalunda fallet, utan det exceptionellt varma året följdes av ett mer utjämnat temperaturförlopp. En ännu mer extrem El Niño inträffade 1877–78, vilket hade till följd att båda dessa år faktiskt var varmare än flera av åren under 1970- och 1980-talen!

El Niño och dess atmosfäriska motsvarighet Southern Oscillation (SO), under den gemensamma beteckningen ENSO, är bara en av flera interna processer i jordens klimatsystem som maskerar eller döljer en långsiktig klimatändring. En annan är den Nordatlantiska Oscillationen (NAO) som reglerar flödet av mild atlantluft mot Nordeuropa. Till skillnad från ENSO, som är kopplad till energiutbytet mellan hav och atmosfär i det tropiska Stilla havet och med en tidsskala på omkring fyra år, är NAO mer kaotisk till sin natur och inte direkt kopplad till havscirkulationen.

ENSO, NAO och andra liknande processer i Jordens klimatsystem dominerar klimatvariationerna över kortare perioder på några decennier och bidrar till att det är svårt att korrekt identifiera den klimatändring som beror på ökningen av växthusgaser eller på andra externa processer, till exempel variationer i solens strålningsintensitet. För detta krävs längre perioder med tillförlitliga data.

Determinism och kaos
En grundläggande fråga inom fysiken som märkligt nog ännu inte vunnit bred acceptans är den fundamentala roll som kaotiska processer spelar i naturen. Rollen klargjordes principiellt redan av den franske matematikern Henri Poincaré (1854–1912). Han identifierade en osäkerhet som existerar i alla komplexa system och som innebär att de är omöjliga att förutsäga korrekt. Han kan därvid betraktas som den förste som identifierade kaos i dynamiska system. Vad som blev klart långt senare, bland annat genom Edward Lorenz’ arbeten, var hur detta gestaltade sig i de tillämpningar som diskuteras här. Amerikanen Lorenz (1917–2008) var meteorolog och upptäckte till sin förvåning att ytterligt små ändringar i initialtillståndet i en idealiserad prognosberäkning efter en tid på bara några dagar ledde till ett helt annat resultat än den ursprungliga beräkningen.(2) För typiska meteorologiska beräkningar fann Lorenz att ett initialfel i stort sett fördubblas varannan dag under beräkningens gång, vilket innebär att traditionella meteorologiska prognosberäkningar a priori är begränsade.(3) Att perfekta prognoser är omöjliga gäller tyvärr även om vi skulle ha en exakt kunskap om de lagar som styr väder och klimat. Modell­ekvationerna är förvisso deterministiska, men obetydliga avvikelser i observationsdata eller i de numeriska algoritmerna gör att systemet ändå beter sig som om det vore icke-deterministiskt.

Detta utesluter ingalunda att det finns cirkulationssystem som är välorganiserade och har en avsevärd livslängd. Sådana stationära cirkulationssystem, som den indiska monsunen, förekommer i jordens atmosfär och i haven. Ett stationärt cirkulationssystem som upp­märksammats utanför Jorden är den storm som bildar en jättelik röd fläck i Jupiters atmosfär.

Den teoretiska gränsen för detaljerade väderprognoser ligger sannolikt mellan 2 och 3 veckor. Det kan jämföras med beräkningar av tydliga ändringar hos planeterna. Även vårt planetsystem är nämligen föremål för kaotiska processer. Enligt Jacques Laskars arbeten under det senaste decenniet kan detaljerade rekonstruktioner av planetbanorna och planeternas lutning mot planetbanan (oblikvitet) endast göras för ca 35–40 miljoner år. (Väntar man tillräckligt länge kan det inte uteslutas att närliggande planeter faktiskt kan kollidera.(4)) Detta är mer imponerande än meteorologernas 2–3 veckor men bör hållas i tankarna när man önskar rekonstruera jordens klimat många hundra miljoner år tillbaka i tiden. Man kan tala om prediktabilitet av det första slaget. Med detta menar vi en regelrätt prognosberäkning, som när man beräknar tidpunkten för en solförmörkelse.

Kan klimatet förutsägas?
Klimatet kan betraktas som summan eller omslutningen av allt väder och dess variationer under en viss tidsperiod. Den fråga som har sysselsatt meteorologin och klimatforskningen under de senaste årtiondena är i vilken utsträckning klimatet är möjligt att förutsäga. Det är svårt att empiriskt bestämma klimatet, då ett flertal externa processer som påverkar klimatet är icke-stationära. Hit hör större vulkanutbrott, variationer i solstrålningen och antropogena ändringar i växthusgaser och aerosoler. Om vi exempelvis betraktar det förindustriella klimatet i Europa för tiden 1500–1900, för vilket det föreligger en realistisk empirisk rekonstruktion, så visar det sig likväl att detta är möjligt att nöjaktigt reproducera i en klimatmodell som inkluderar extrema vädersituationer.(5) Och detta utan några som helst externa variationer i solstrålning, vulkanutbrott eller andra icke-stationära processer! Orsaken är att atmosfärcirkulationen eller klimatsystemet har en tendens till självorganisation, vilket yttrar sig som en preferens för karakteristiska cirkulationsmönster vilka uppträder med en viss bestämd sannolikhet. Detta inkluderar också tillstånd som innebär stora avvikelser från medeltillståndet. Denna förmåga till självorganisation missuppfattas lätt som ett tecken på prediktabilitet. Det är här inte alls fråga om determinism i enkel mening utan en fundamental egenskap hos naturliga komplexa system. En sådan tendens till självorganisation finns även hos biologiska system och utgör säkert en viktig komponent i det naturliga urvalet.

En rekonstruktion av vädret över en representativ tidsperiod, antingen från observationer eller från en modellsimulering, omfattar medelvärde, varians, tillfälliga trender, extremvärden m.m. En sådan statistisk sammanställning omfattar åtskilliga decennier eller ännu längre. Det är sådana beräkningar och inget annat som görs med dagens klimatmodeller. Efter Lorenz skall vi kalla detta prediktabilitet av det andra slaget. Med detta menar vi att vi inte kan precisera när en specifik händelse, som ett kraftigt oväder, kommer att inträffa utan bara att detta kommer att kunna inträffa eller hur ofta det kommer att inträffa. Det kan jämföras med att beräkna konsekvenserna av att ändra oddsen i ett lotteri.

Även om det givetvis är en begränsning att inte kunna förutsäga tidpunkten för en viss väderhändelse, så är lika fullt en prognos som anger en ändring i klimatet, d.v.s. i den statistiska fördelningen av olika atmosfäriska tillstånd, oerhört viktig för planeringsändamål. Planeringen av avrinning från nederbörd eller smältvatten i städer och tätorter är ofta dimensionerad efter extremförhållanden som kan inträffa, säg, en gång per hundra år. Ändras en sådan fördelning av extrema förhållanden krävs kostsamma investeringar, alternativt får befolkningen genomlida skadliga översvämningar. Klimatsimuleringarna anger tydligt att extrema händelser av denna typ blir mycket vanligare i ett varmare klimat.

Vad innebär ett framtida klimat?
Bland ledande klimatforskare råder stor enighet om att klimatet inte slumpmässigt kan inta helt olika tillstånd över längre perioder, på 100 år eller längre. Att klimatet skulle kunna inta olika tillstånd diskuterades intensivt före 1960-talet men betraktas numera, efter utvärderingar av allt mer detaljerade modellberäkningar, som mindre troligt. Resultatet av klimatets storskaliga variation under de senaste 6000 åren är en långsamt fortlöpande avkylning. Detta är en följd av två motstridiga tendenser: en successivt reducerad instrålning under sommarhalvåret på norra halvklotet (i polarområdet i juni med mer än 30 W/m2) samt en tilltagande och brantare uppvärmningstrend under det senaste århundradet genom växthusgasökningen. Det är detta som gett temperaturvariationen den så kallade ”hockeyklubbsformen” under de senaste århundradena. Den lilla istiden utgör där ett typiskt minimum. På grund av svårigheterna att rekonstruera jordens temperatur för de senaste tusen åren råder det givetvis smärre skillnader mellan olika rekonstruktioner, men den grundläggande hockeyklubbsformen ändras knappast.(6) Det är märkligt att denna fråga har blivit så emotionellt laddad hos alla besynnerliga ”förnekare” att den har använts som ett veritabelt slagträ för att angripa hela IPCC. Klimatoptimum för 6000 år sedan var varmare än nu(7) men kommer sannolikt att passeras under detta århundrade. Analogt kan man hävda att den antropogena växthuseffekten sannolikt har förhindrat ett ännu besvärligare kallt klimat framför allt på höga breddgrader på norra halvklotet, där vi just nu har en minimal instrålning under sommarhalvåret.

Under detta århundrade är en fortsatt förändring i jordens värmebalans till följd av ökande växthusgaser sannolikt oundviklig genom den tröghet (och brist på realistiska alternativ) som kännetecknar den globala energiproduktionen, något som otvivelaktigt kommer att få konsekvenser för framtidens klimat. Hur detta kommer att gestalta sig kan inte med säkerhet avgöras, men allvarliga följder kan med dagens kunskap ingalunda uteslutas. Sådana följder indikeras i de avancerade klimatsimuleringar som genomförts under senare år.(8) Tills vidare har dock den globala uppvärmningen varit ringa och i de flesta områden obetydlig jämfört med amplituderna i de naturliga klimatvariationerna. Den hittills långsamma globala uppvärmningen kan mycket väl övergå i en snabbare fas, som framgår av de klimatsimuleringar som sammanställts av IPCC. Det finns ingen vetenskaplig grund för att avvisa dessa och IPCC har lagt ned stor möda på att bedöma sannolikheten i underlaget för sammanställningarna.

I enskilda klimatberäkningar kan negativa trender under ett decennium eller två ofta inträffa, som är analoga till vad vi har observerat i klimatet de senaste 100 åren.(9) Exempel här är det varma 1930-talet och de kalla 1960- och 70-talen. För att inte missledas genomförs numera inom ramen för IPCC ett flertal beräkningar (en så kallad ensemble) med användning av samma modell men där man endast låtit initialtillståndet variera inom ramen för observationsnoggrannheten. Summan av de olika beräkningarna ger därvid ett mer robust resultat för den långsiktiga klimatändringen.

Men som jag här har försökt visa så betyder inte detta att tidsbestämda extrema, regionala eller lokala, klimatförhållanden under enskilda årstider, år eller decennier kan förutsägas – utan endast ändringar i den statistiska fördelningen av klimatsystemets olika variabler. För det svenska klimatet visar modellberäkningar entydigt att extrema värmeböljor blir mer vanliga än extrema kallperioder med en tydlig tendens till förhöjd nederbörd främst vintertid.8 Ett varmare och nederbördsrikare svenskt klimat är säkert gynnsamt. Detta är dessvärre inte fallet inom flera regioner på vår jord. Det mest allvarliga är sannolikt en tendens mot ett nederbördsfattigare klimat inom ett flertal områden företrädesvis på breddgraderna 20°–40° nord och syd. På lång sikt förväntas vidare tilltagande problem med ett förhöjt havsvattenstånd genom havens värmeexpansion och ökad avsmältning från glaciärer och landisar.

Referenser

1. Trenberth, K. E., P. D. Jones et al. (2007). Observations: Surface and Atmosphere Climate Change, FAQ 3.1, Figure 1. I: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, et al. (red.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom & New York, NY, USA.

2. Lorenz, E. N. (1965). A study of the predictability of a 28-variable atmospheric model, Tellus 17, 321–333.

3. Lorenz, E. N. (1982). Atmospheric predictability experiment with a large numerical model, Tellus 34, 505–513.

4. Laskar, J. & M. Gastineau (2009). Existence of collisional trajectories of Mercury, Mars and Venus with the Earth, Nature 459, 817–819 (11 June 2009).

5. Bengtsson, L., K. I. Hodges, E. Roeckner & R. Brokopf (2006). On the natural variability of the pre-industrial European climate, Climate Dynamics 27(7–8), 743–760.

6. Mann, M. E. et al. (2008). Proxy-based reconstructions of hemispheric and global surface temperature variations over the past two millennia, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105(36), 13252–13257.

7. Wanner, H. et al. (2008). Mid- to Late Holocene climate change: An overview, Quaternary Science Reviews 27(19–20), 1791–1828.

8. Meehl, G. A., T. F. Stocker et al. (2007). Global Climate Projections. I: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., D. Qin, et al. (red.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom & New York, NY, USA.

9. Hawkins, E. (2011). Our evolving climate: communicating the effects of climate variability, Weather 66(7), 175–179.