Forskarnas klimatmodeller allt säkrare

I augusti 2021 kom över 160 millimeter regn över Gävle på ett dygn. Det är mer än det brukar regna på två månader. Hela kvarter blev översvämmade, och vägar försvagades och rasade. Ännu värre var det ungefär en månad tidigare i Tyskland och Belgien. Floder svämmade över i tättbefolkade områden, och i nyheterna fick vi se bilder av villaområden som förvandlats till högar av bråte.

Stora regnmängder är en typ av extremväder. Värmeböljor som den vi upplevde sommaren 2018 är en annan. Är det så här det kommer att vara nu framöver?

FN:s klimatpanel IPCC släppte en delrapport från kunskapsutvärderingen AR6 i augusti 2021 som sammanfattade den naturvetenskapliga grunden till klimatförändringarna. Där kunde vi läsa bland annat att det är mycket sannolikt att händelser med stora nederbördsmängder kommer att bli vanligare och kraftigare i de flesta regioner världen över, allt eftersom klimatet värms upp.

”Mänskligt orsakad klimatförändring påverkar redan många väder- och klimatextremer i alla områden jorden runt. Sambandet mellan observerade förändringar i extremer, som exempelvis värmeböljor, skyfall, torka och tropiska cykloner, och hur de påverkas av mänsklig klimatpåverkan, har stärkts sedan AR5.”

Helt klart är att kunskapen om klimatet har blivit allt bättre, och osäkerheterna har minskat sedan den förra utvärderingen AR5, som kom 2014. Varför låter då klimatforskare så svävande när vi journalister frågar dem om översvämningarna beror på klimatförändringarna?

– Standardsvaret är att ”ja, det här är ju bara en enskild väderhändelse så man kan aldrig koppla det direkt till klimatet, men det är i linje med det väntar oss framöver”, säger Gustav Strandberg, klimatforskare på SMHI.

Forskarna jobbar nämligen med sannolikheter och med genomsnitt.

Gustav Strandberg förklarar det här genom att nysta sig tillbaka från frågan om regnet i Gävle, som om han svarade på frågor från en envis fyraåring. Varför regnade det så mycket i Gävle? Jo, för att det kom ett lågtryck som passerade över Sverige. Varför kom det ett lågtryck? Jo, för att den storskaliga atmosfäriska cirkulationen såg ut på ett visst sätt. Varför såg den ut så? Och så vidare.

– Till slut kommer man bara fram till att det är ett kaotiskt system, och saker händer av en slump, säger Gustav Strandberg.

Det går helt enkelt inte att hitta punkten där det går att peka på att jo, här kommer den ökade koldioxidhalten och gör just den här händelsekedjan nödvändig på just den här dagen. I stället handlar det om till exempel hur ofta kraftiga regnväder förväntas inträffa.

– Även om vi inte kan säga att ett visst oväder beror på klimatförändringarna, så kan vi säga att om det händer oftare så kan det vara för att klimatet förändrats, säger Gustav Strandberg.

Det betecknas numera som otvetydigt att mänsklig aktivitet värmer upp jorden. Medeltemperaturen på jordytan under åren 2010–2019 är sannolikt mellan 0,8 och 1,3 grader högre än under perioden 1850–1900, enligt IPCC. Det låter inte så mycket, men temperaturökningen har ingen motsvarighet på flera tusen år. De senaste liknande perioderna av uppvärmning har dessutom kommit långsamt, medan den nuvarande uppvärmningen är mycket plötslig.

Klimatet på jorden påverkas av många olika faktorer. Klimatsystemet innehåller olika typer av återkopplingar, effekter som förstärker uppvärmningen – eller i vissa fall motverkar den, som med utsläpp av partiklar som reflekterar bort en del av solljuset. Det gäller att få någorlunda kläm på alla faktorer.

Ett sätt att samla alla effekter i en enda siffra är att tala om jordens klimatkänslighet. Med det menas oftast hur mycket den globala medeltemperaturen påverkas av en fördubblad koldioxidhalt i luften jämfört med förindustriell nivå på 280 ppm. I IPCC-rapporten från i augusti anges klimatkänsligheten till 3 grader, med ett sannolikt intervall från 2,5°C till 4°C. Det här intervallet har krympt ganska mycket sedan den förra rapporten som kom ut 2014, då det var mellan 1,5°C och 4,5°C. Det är ett tydligt exempel på hur kunskapen om klimatet har skärpts och osäkerheterna snävas in.

Hela jorden värms dock inte lika mycket, eller i samma takt. Arktis värms till exempel ungefär dubbelt så snabbt som resten av jordytan. För att förstå mer om vad klimatförändringarna betyder och vilka de konkreta konsekvenserna blir, måste man titta på detaljerna i klimatsystemet.

Forskarna skapar sig en förståelse för klimatet genom att bygga klimatmodeller. Utvecklingen beräknas i ett tredimensionellt rutnät som täcker hela den del av jorden som modellen omfattar. Beräkningarna stegar sig fram genom tiden, och i varje tidssteg beräknas lösningarna på ekvationer som styr olika fenomenen i varje cell i rutnätet. (Se ”Koden bakom klimatet” i F&F 10/2018.) De här modellerna har blivit mycket bättre genom åren.

Klaus Wyser är klimatforskare SMHI. Han och hans forskargrupp har bland annat kört några av de beräkningar som ligger till grund för IPCC-rapporten från augusti. Han berättar hur klimatmodellerna har utvecklats. De allra första datormodellerna som Syukuro Manabe utvecklade på 1960-talet innehöll bara luften och vattenångan i atmosfären. (För det här arbetet belönades han med Nobelpriset i fysik 2021 – se också förra numret av F&F). Under 1970- och 80-talet infördes moln och nederbörd. Det fanns också havsmodeller, men i början hanterades de helt separat från atmosfärsmodellerna. Med tiden kopplades de olika delarna ihop, och blev allt mer detaljerade och realistiska. De tog hänsyn till växelverkan mellan strålning och växthusgaser, och dess effekt på temperaturen.

– Men klimatet är inte bara fysik, det är också kemi, påpekar Klaus Wyser.

Svavel spelar stor roll i molnbildning, och från 1990-talet började kemi i form av en svavelcykel byggas in i klimatmodellerna.

– Nu är man inne på att man ska ha kolcykeln med också. Vi vet att det vi släpper ut till viss del kommer att stanna i atmosfären, och till viss del absorberas i både havet och växtlighet. Då krävs biogeokemi i havet, och en vegetationsmodell, säger Klaus Wyser.

Ändringar av koldioxidhalten i luften är en viktig del i klimatmodellerna. Det finns fortfarande många modeller där sådana upptag och utsläpp av kol från havet och växtligheten måste beräknas vid sidan om och matas in för hand, men i mer sofistikerade modeller ingår detta i själva modellen.

Växtligheten spelar också roll på fler sätt än som en del av kolcykeln. Det här är något som Gustav Strandberg arbetar med.

– Lokalt eller regionalt kan det göra stor skillnad för temperatur och nederbörd om landskapet domineras av öppen åkermark eller tät skog, säger han.

I debatten om hur en klimatkris ska hanteras finns det visioner om att odla mycket mer växter för att utvinna bioenergi. Om en stor andel skogsmark tas i anspråk för att odla energigrödor kanske det inte påverkar det globala klimatet så mycket, men det kan ha effekter i det närmaste området.

Just nu arbetar Gustav Strandberg bland annat med att förstå hur människan har påverkat sitt lokala klimat långt tillbaka i tiden, även långt innan människor började använda stora mängder fossila bränslen.

– För ett par tusen år sen när man började påverka skogen i Europa genom att ta ner den för att det ska bli lättare att jaga, eller för att ha som bränsle – då fick man en klimatpåverkan också, eftersom markytans egenskaper ändrade sig, säger Gustav Strandberg.

Vi kanske inte tänker oss att forntidens människor hade så stor påverkan, men det finns faktiskt belägg för att människor i tiotusentals år har påverkat landskapet, inte minst med eld.

Enligt Klaus Wyser finns det tre olika sorters osäkerhet som forskarna behöver hantera för att kunna modellera och förstå framtidens klimat. Det handlar för det första om modellerna själva, med alla de här olika delarna som ska passas ihop. För det andra handlar det om de värden som matas in i modellen utifrån kunskapen om hur världen faktiskt ser ut, initialtillståndet i beräkningarna. För det tredje finns det osäkerheter som kommer av att vi inte känner till framtidens utsläpp av växthusgaser och andra framtida åtgärder som påverkar klimatet.

Den första kategorin av osäkerheter hanterar forskarna genom att hela tiden förbättra modellerna.

– Eftersom vi har tillgång till mer datorkraft har det gjort två saker. Vi har ökat upplösningen så att vi får mer detaljer. Vi har också fått möjlighet att beskriva fler processer direkt, säger Gustav Strandberg.

Vissa fenomen kan inte beskrivas i modellen, till exempel moln som är mindre än cellerna i modellens rutnät. Sådana fenomen måste hanteras som parametrar – siffror som stoppas in i modellen i stället för att räknas ut. Vissa förenklingar behövs alltid. Hela klimatsystemet vilar på mikroskopiska processer, som hur molekyler växelverkar med solljus och värmestrålning, som inte kan modelleras exakt.

– För att kunna beskriva det exakt skulle man behöva beskriva varenda atom i atmosfären och varenda foton som kommer från solen, säger Klaus Wyser.

Det gäller att göra lagom förenklingar, så att modellen kan reproducera processerna så realistiskt som möjligt. Resultatet ska helst jämföras med verkligheten för att se att de fungerar, menar Klaus Wyser. Men här kommer också den andra kategorin av osäkerheter in.

– Om du mäter temperatur, då har du en termometer, kanske en halv centimeter stor – och det ska du jämföra med en ruta som är hundra gånger hundra kilometer. Om modellen skiljer sig 0,5 grader från mätningen – är det då fel eller stämmer det ungefär?

Redan att veta hur observationer ska jämföras med modellen är alltså svårt. Helst vill Klaus Wyser jämföra med satellitdata, för sådana mätningar görs med en upplösning som stämmer bättre ihop med storleken på modellernas rutor.

Dessutom finns det aldrig perfekt kunskap om hur olika mätvärden ser ut över hela jorden. Särskilt svårt blir det när det gäller att jämföra modellen med olika perioder längre tillbaka i tiden, före temperaturmätningarna. Då finns det bara indirekta rekonstruktioner av hur klimatet har varierat, till exempel genom analyser av borrkärnor från glaciärer (se ”Jordens framtid avslöjas i is och sten” i F&F 1/2021).

Det är här som den stora skillnaden mellan klimatmodeller och väderprognoser visar sig. En väderprognos behöver pricka in vilken dag det ska regna och vilken dag det blir sol, annars är prognosen meningslös. I klimatmodellerna är det däremot bara medelvärdena över längre sikt som spelar roll.

– Vi kan prata om kalla och varma somrar och hur mycket snö man har på vintern. Har man storlekarna rätt spelar det ingen roll i vilken ordning de kommer, för medelvärdet och annan statistik blir ändå samma, säger Gustav Strandberg.

Det finns alltid en intern variabilitet i klimatet, som gör att olika år kan skilja sig åt. Det beror på sammanträffanden mellan olika fenomen som varierar.

– Vi kan inte förutsäga dem, de bara händer ibland, utan att det finns en extern utlösare. Då har man en värmebölja på ett ställe, och torrt på ett annat ställe, och det regnar jättemycket på ett tredje ställe, säger Klaus Wyser.

Vissa år blir till exempel hela världens klimat påverkat av fenomenet El Niño, då havsströmmarna i Indiska oceanen förändras och passadvindarna är svaga. Det finns inget sätt att förutsäga vilket år El Niño kommer att inträffa, i alla fall inte mer än några månader i förväg. Däremot går det att beräkna hur vanliga olika fenomen kommer att vara, hur ofta en viss typ av extremväder förväntas inträffa i en given del av världen, och så vidare. Det går inte att förutsäga vädret om hundra år, men det går att förutsäga klimatet.

– För att kunna göra det måste vi köra modellen många gånger, med en liten variation i initialtillståndet. Då får vi lite olika utvecklingar, men de grupperas kring ett medelvärde. Samlingarna av olika utvecklingar kallar vi för ensembler, säger Klaus Wyser.

I figurerna som publiceras i bland annat IPCC:s rapporter ser vi variationerna i de här ensemblerna antingen som ett skuggat område som eller en svärm av tunna kurvor kring den markerade kurvan, som är medelvärdet.

När vi tittar på kurvorna över framtida utveckling kommer den tredje typen av osäkerheter in, nämligen de som handlar om vad som kommer att hända i framtiden. Om atmosfärens sammansättning skulle vara likadan under lång tid når jorden ett läge där lika mycket värme strålar ut från jorden som den som når oss från solen, men för närvarande är balansen rubbad och uppvärmning pågår. Även om vi kunde sluta med alla utsläpp nu skulle uppvärmningen ändå fortsätta några decennier, tills en ny jämvikt har uppnåtts och jorden återigen strålar ut lika mycket energi som den tar emot.

Att stoppa alla utsläpp av växthusgaser verkar vara omöjligt, men hur klimatet utvecklas på lång sikt beror på hur vi människor agerar. Därför har IPCC tagit fram olika scenarier, som utgår ifrån olika antaganden om hur teknik, politik och befolkningsutveckling kommer att bli och vilka utsläpp av växthusgaser de olika utvecklingarna innebär. Det finns inget sätt att avgöra vilket scenario som kommer att inträffa, utan det beror helt på vilka beslut vi människor fattar framöver.

Alla de tre olika kategorierna av osäkerheter kommer att finnas kvar, även om de blir mindre. Däremot kan forskarna lära sig att förstå dem och tolka dem, och på så vis bättre ringa in vad som faktiskt händer med klimatet.