Er zijn voor programmeurs van klimaatmodellen twee belangrijke vragen: "kunnen modellen het verleden goed reconstrueren?", en "kunnen modellen de toekomst goed voorspellen?" Om de eerste vraag te beantwoorden kunnen we het hoofdstuk van het vierde IPCC-rapport erbij pakken dat gaat over de reconstructie van temperaturen sinds 1800 door een groot aantal klimaatmodellen. In deze reconstructies zijn menselijke invloeden zowel aan- als uitgeschakeld. Het blijkt dat geen enkel model in staat is de recente opwarming van de aarde te verklaren zonder rekening te houden met de toename van CO2 in de atmosfeer. Het is niemand gelukt een klimaatmodel te bouwen dat in staat is om het gedrag van het klimaat in de afgelopen eeuw te verklaren zonder de CO2-toename te beschouwen.

Figuur 1: Vergelijking van oppervlaktetemperatuur tussen klimaatmodellen en waarnemingen. In (a) worden modelreconstructies (grijze band) getoond waar alleen natuurlijke forceringen (variaties in zonne-instraling, vulkaanactiviteit) zijn meegenomen, en vergeleken met de waargenomen temperatuur (rode lijn). In (b) staan de resultaten van klimaatreconstructies met inachtneming van alleen menselijke invloeden (broeikasgassen en sulfaataerosolen). In (c) ten slotte staan resultaten met zowel natuurlijke als menselijke forceringen (IPCC).

De toekomst voorspellen

Je hoort vaak het argument dat wetenschappers onmogelijk het klimaat jaren vooruit kunnen voorspellen, omdat ze niet eens weten wat voor weer het volgende week wordt. Wie dit beweert, begrijpt het verschil niet tussen weer en klimaat. Het weer is intrinsiek onvoorspelbaar en chaotisch. Klimaat daarentegen is het weer gemiddeld over een lange periode. Hoewel je onmogelijk met zekerheid kunt zeggen of een euro met kop of munt naar boven zal terechtkomen, kun je heel nauwkeurige uitspraken doen over het resultaat van een groot aantal tosses. In termen van het weer: Je kunt niet precies zeggen welk traject een storm aflegt, maar de gemiddelde temperatuur en hoeveelheid neerslag in het gebied is gelijk, ongeacht het precieze traject van de storm.

Wie het klimaat wil voorspellen zit met een aantal problemen. Het gedrag van de zon is moeilijk te voorspellen. Kortetermijnfluctuaties zoals El Nino of vulkaanuitbarstingen zijn niet te voorzien. Aan de andere kant zijn de belangrijke processen die het klimaat aandrijven goed begrepen. De voorspellingen die James Hansen (1988) deed met een klimaatmodel blijken goed overeen te komen met latere waarnemingen (Hansen 2006).

Figuur 2: Wereldgemiddelde oppervlaktetemperatuur voor drie scenario's (A,B, en C) vergeleken met twee analyses van waarnemingen (Hansen 2006).

Scenario B van Hansen was destijds het meest waarschijnlijk, en kwam tot stand met verwachtingen van de CO2-uitstoot die later ook bleken te kloppen. In dit scenario komen gemodelleerde temperaturen heel goed overeen met de waargenomen temperaturen. Het model van Hansen ging uit van 5 tot 10% teveel CO2-uitstoot, dus daarvoor compenserend zou de overeenkomst tussen model en waarneming nog beter zijn. Per jaar zijn er verschillen, maar dat is niet zo vreemd: de intrinsieke chaos van het weer zorgt voor wat ruis op het signaal, maar de algemene trend is goed te voorspellen.

De uitbarsting van de Pinatubo in 1991 was een goede aanleiding om te testen hoe goed klimaatmodellen konden voorspellen wat de gevolgen voor het klimaat zouden zijn na de uitstoot van een grote hoeveelheid sulfaataerosolen. De modellen voorspelden succesvol dat de wereldwijde temperatuur ongeveer 0.5 graden zou dalen vlak na de uitbarsting. Veranderingen in de hoeveelheid straling, waterdamp, en dynamische processen bleken ook goed in de modellen ingebouwd te zijn (Hansen 2007). Lees hier meer over het voorspellen van de toekomst.

Figuur 3: Waargenomen en gemodelleerde wereldgemiddelde temperatuurverandering tijdens en na de uitbarsting van de Pinatubo. De blauwe lijn is de temperatuur boven land en zee; de rode lijn is de modelvoorspelling (Hansen 2007).

Onzekerheden in voorspellingen

Men denkt vaak onterecht dat in klimaatmodellen de invloed van toenemende CO2-concentraties overschat wordt. Onzekerheid kan echter twee kanten opgaan. Het blijkt dat in een klimaatsysteem met een netto positieve terugkoppeling (dwz een systeem waarin een aanvankelijke verstoring versterkt wordt) het klimaat eerder sterker reageert dan we voorspellen dan zwakker (Roe 2007). Om die reden blijken veel voorspellingen in het IPCC-rapport aan de conservatieve kant te zijn. Metingen door satellieten en peilschalen laten zien dat de zeespiegel sneller stijgt dan in het IPCC-rapport wordt voorspeld. De gemiddelde snelheid waarmee de zeespiegel volgens satellietmetingen stijgt is 3.4 millimeter per jaar tussen 1993 en 2008, tegen 1.9 millimeter per jaar voorspeld door het IPCC. De waarnemingen zitten aan de bovenkant van de onzekerheidsmarges van de IPCC-voorspellingen (Copenhagen Diagnosis 2009).

Figuur 4: Zeespiegelstijging. Peilschaalmetingen zijn weergegeven in rood, satellietmetingen in blauw. De grijze band laat de voorspelling zien in het derde rapport van het IPCC (Copenhagen Diagnosis 2009).

Ook gaat het krimpen van het zeeijs in het Noordpoolgebied veel sneller dan voorspeld door klimaatmodellen. In oppervlakte is de afname tussen 2007 en 2009 veertig procent groter dan de gemiddelde voorspelling van klimaatmodellen die in het IPCC-rapport zijn gebruikt. De dikte van het zeeijs neemt de afgelopen tientallen jaren ook al gestaag af.

Figuur 5: Waargenomen (rood) en gemodelleerde (zwarte lijn met blauwe onzekerheidsmarges) oppervlakte van Noordpoolijs in september in miljoenen vierkante kilometers. In september 2009 was het oppervlakte 5.1 miljoen vierkante kilometer, het op twee na laagste record en ver onder de voorspellingen van het IPCC (Copenhagen Diagnosis 2009).

Weten we voldoende om tot actie over te gaan?

Klimaatsceptici bepleiten dat we moeten wachten tot klimaatmodellen perfect zijn voordat we in actie moeten komen om de uitstoot van CO2 te reduceren. Als we zouden wachten op 100% zekerheid, zouden we nooit in actie komen. Klimaatmodellen worden voortdurend verbeterd, er worden meer fysische processen in beschreven, minder benaderingen gebruikt, en ook ruimtelijk steeds gedetailleerder. Dat is allemaal mogelijk dankzij de alsmaar toenemende rekencapaciteit op (super-)computers. Omdat het klimaat zo complex in elkaar steekt kunnen modellen altijd uitgebreid en verbeterd worden. Waar het om gaat is dat we voldoende kennis hebben om in actie te komen. Modellen kunnen inmiddels langetermijnontwikkelingen goed voorspellen, en beginnen nu ook beter te presteren op de wat meer chaotische kortetermijnvoorspellingen. Er zijn meerdere, onafhankelijke bewijzen, zowel empirische als modelmatige, dat de wereldwijd gemiddelde oppervlaktetemperatuur met ongeveer 3 graden zal stijgen als de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer verdubbelt (Knutti & Hegerl 2008).

Klimaatmodellen hoeven niet alle processen tot in detail te hoeven beschrijven om een nauwkeurige gemiddelde trend te berekenen, en de belangrijkste gevolgen daarvan te bepalen. En dat is waar we nu zijn. Als je voor 90% zou weten dat je met een auto een ongeluk zou krijgen, zou je niet in die auto stappen (of in ieder geval een gordel dragen). Het IPCC heeft met 90% zekerheid vastgesteld dat de opwarming van de aarde aan menselijk handelen is toe te schrijven. Wachten op 100% zekerheid is onverantwoord.