Proponiamo la traduzione dell’articolo “Analysis: How well have climate models projected global warming?” scritto da Zeke Hausfather per Carbon Brief, che ringraziamo.

Negli ultimi quarant’anni gli scienziati hanno realizzato proiezioni del riscaldamento globale futuro usando modelli climatici di crescente complessità, basati sulla fisica dell’atmosfera e sulla biogeochimica. Sono strumenti fondamentali per capire i processi in atto nel sistema climatico terrestre e come potrà verosimilmente cambiare in futuro.

Carbon Brief ha passato in rassegna i modelli climatici che sono stati sviluppati a partire dal 1973 per confrontare le loro proiezioni della temperatura futura con le simulazioni della temperatura del passato fatte dai modelli più recenti e con i dati di temperatura globale effettivamente misurata sulla terra, come mostrato nell’animazione sottostante.

Un post condiviso da Carbon Brief (@carbonbrief) in data: 5 Ott 2017 alle ore 10:09 PDT

Benché alcuni modelli avessero sottostimato e altri sovrastimato il riscaldamento effettivamente avvenuto, tutti quelli presi in esame hanno riprodotto con buona approssimazione un incremento della temperatura superficiale tra il 1970 e il 2016, soprattutto se si tiene conto delle differenze nelle emissioni ipotizzate nei diversi modelli.

Come se la sono cavata i modelli climatici del passato?

Se nel cercare di riprodurre il clima degli ultimi decenni i modelli climatici beneficiano della conoscenza delle concentrazioni dei gas serra atmosferici, delle eruzioni vulcaniche e delle altre forzanti radiative che influenzano il clima terrestre, le proiezioni nel futuro sono comprensibilmente più incerte.

I modelli climatici possono essere valutati sulla base della loro capacità sia di riprodurre le temperature del passato (un approccio definito “hindcast”), sia di prevedere quelle future.

Gli hindcast, o retro-proiezioni, sono utili perché si possono controllare le forzanti radiative, che sono già note. Le proiezioni sono utili perché non possono essere implicitamente calibrate per somigliare alle osservazioni: non sono “adattate” alle temperature storiche, ma i modellisti dispongono di osservazioni in base alle quali scegliere quali parametri adottare, per esempio per descrivere i processi legati alla fisica delle nubi o gli effetti degli aerosol.

Negli esempi che seguono, le proiezioni pubblicate tra il 1973 e il 2013 sono confrontate con dati di temperatura forniti da cinque diverse organizzazioni. I modelli usati variano in complessità e vanno dai più semplici a bilancio di energia ai modelli accoppiati del Sistema Terra.

(I confronti utilizzano il periodo di riferimento 1970-1990 per “allineare” osservazioni e modelli durante i primi anni dell’analisi, e mostrare più chiaramente l’evoluzione temporale delle temperature).

Sawyer, 1973

Una delle prime proiezioni fu realizzata da John Sawyer dell’Ufficio Meteorologico Britannico (UK’s Met-Office) nel 1973. In un articolo pubblicato su Nature , Sawyer ipotizzava che il pianeta si sarebbe riscaldato di 0.6 °C tra il 1969 e il 2000 e che la CO 2 atmosferica sarebbe aumentata del 25%. Sawyer considerò un valore di sensibilità climatica (ovvero l’aumento temperatura in seguito a un raddoppio della concentrazione di CO 2 atmosferica) pari a 2,4 °C, che non è molto lontano dalla migliore stima di 3°C utilizzata attualmente dall’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).

Diversamente dalle altre proiezioni esaminate in questo articolo, Sawyer non stimò il riscaldamento anno per anno, ma solo un valore atteso al 2000. La stima di 0,6 °C si è rivelata quasi esatta: il riscaldamento effettivamente osservato attorno a quell’anno è stato tra 0,51 °C e 0,56 °C. Sawyer sovrastimò invece la concentrazione atmosferica di CO 2 prevista per il 2000, assumendo che sarebbe stata compresa tra 375 e 400 ppm, mentre il valore reale è stato 370 ppm.

Broecker, 1975

La prima proiezione disponibile di evoluzione delle temperature in risposta al riscaldamento globale è apparsa in un articolo su Science del 1975, scritto dal Prof. Wally Broecker della Columbia University. Broecker utilizzò un semplice modello a bilancio di energia per calcolare cosa sarebbe successo alla temperatura terrestre se la CO 2 atmosferica avesse continuato ad aumentare rapidamente dopo il 1975.

Le sue stime sono state abbastanza accurate fino al 2000: prevedeva una concentrazione di CO 2 pari a 373 ppm, confrontabile con il valore misurato a Mauna Loa di 370 ppm. Tuttavia, per il 2016 stimò che la concentrazione di CO 2 sarebbe stata pari a 424 ppm, invece dei 404 ppm osservati.

Broecker non aveva tenuto conto degli altri gas serra, ma possiamo pensare che questo non abbia portato a grandi errori visto che il riscaldamento dovuto a gas serra come metano, protossido di azoto e alocarburi può considerarsi in gran parte compensato dall’effetto di raffreddamento dovuto agli aerosol atmosferici a partire dagli anni ‘70 – anche se per gli aerosol le stime della forzante radiativa sono affette da grandi incertezze.

Broecker utilizzò una sensibilità climatica all’equilibrio di 2,4 °C per un raddoppio della CO 2 , come Sawyer, e un riscaldamento istantaneo della Terra in risposta al valore di CO 2 atmosferica, mentre i modelli attuali tengono conto dello sfasamento tra la velocità di riscaldamento dell’atmosfera e quella degli oceani (ci si riferisce spesso al più lento immagazzinamento di calore da parte degli oceani come alla “inerzia termica” del sistema climatico). Il grafico sottostante mostra la proiezione del modello di Broecker (linea nera), confrontata con l’aumento di temperatura osservato (linee colorate).

Riscaldamento previsto da Broecker, 1975 (linea nera spessa), a confronto con le registrazioni delle temperature osservate da NASA, NOAA, HadCRUT, Cowtan e Way, e Berkeley Earth (linee colorate sottili), dal 1970 al 2020. Periodo di riferimento 1970-1990. Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

All’epoca di questa proiezione, secondo la maggior parte degli scienziati le osservazioni indicavano un modesto raffreddamento della Terra e Broecker esordì con una frase preveggente: “ci sono valide ragioni per ritenere che l’attuale tendenza al raffreddamento lascerà spazio, entro un decennio circa, ad un pronunciato riscaldamento indotto dall’anidride carbonica”.

Hansen e altri, 1981

James Hansen e colleghi della NASA pubblicarono un articolo nel 1981 che a loro volta si basava su un semplice modello a bilancio di energia, ma tenendo anche conto dell’inerzia termica dovuta all’accumulo di calore negli oceani. Assunsero una sensibilità climatica di 2,8 °C per un raddoppio della CO 2 e considerarono anche una sua forbice di 1,4 -5,6 °C.

Riscaldamento previsto da Hansen e altri, 1981 (crescita rapida: linea spessa nera; crescita lenta: linea grigia sottile). Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

Hansen e colleghi presentarono diversi scenari, variando le emissioni future e il valore di sensibilità climatica. Nel grafico sovrastante è possibile vedere sia i risultati dello scenario “a crescita rapida” (linea spessa nera) in cui le emissioni di CO 2 crescono del 4% ogni anno a partire dal 1981, sia quelli dello scenario “a crescita lenta” dove l’aumento annuale delle emissioni è del 2% (linea grigia sottile). Lo scenario “a crescita rapida” sovrastima leggermente le emissioni attuali ma, se combinato con una sensibilità climatica leggermente inferiore, fornisce una stima del riscaldamento per i primi anni del 2000 vicina ai valori osservati.

Il tasso totale di riscaldamento tra il 1970 e il 2016 nello scenario “a crescita rapida”, è stato inferiore rispetto a quello osservato di circa il 20%.

Hansen e altri, 1988

Nel 1988 Hansen e colleghi hanno presentato uno dei primi modelli climatici che possiamo definire moderni. Il pianeta era suddiviso in celle a formare una griglia tridimensionale di dimensione 8° di latitudine e 10° di longitudine e con nove livelli verticali in atmosfera. Oltre alla CO 2 , il modello includeva aerosol, diversi altri gas serra e la dinamica di base delle nubi.

Venivano considerati tre diversi scenari, associati a diverse emissioni future di gas serra, mostrati nel grafico sottostante: lo scenario B è rappresentato con una linea nera spessa, gli scenari A e C con linee grigie sottili. Lo scenario A descrive una crescita esponenziale delle emissioni, con concentrazioni di CO 2 e di altri gas serra considerevolmente maggiori rispetto a quelle odierne.

Riscaldamento previsto da Hansen e altri, 1988 (scenario B: linea nera spessa; scenari A e C: linee sottili grigie continua e tratteggiata). Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

Lo scenario B ipotizzava una diminuzione graduale delle emissioni di CO 2 , ma con una concentrazione di 401 ppm nel 2016, valore prossimo ai 404 ppm misurati in media nel 2016. Tuttavia, lo scenario B assumeva una crescita continua delle emissioni di diversi alocarburi, potenti gas a effetto serra, le cui emissioni sono state fortemente limitate con il Protocollo di Montreal del 1987. Lo scenario C prevedeva emissioni quasi nulle dopo l’anno 2000.

Tra i tre, lo scenario B è quello che fornisce una forzante radiativa più vicina a quella reale sebbene ancora sovrastimata di circa il 10%. Hansen e coautori utilizzarono inoltre un modello con una sensibilità climatica di 4,2 °C per un raddoppio della concentrazione di CO 2 – il limite più alto della maggior parte dei modelli climatici moderni. A causa della combinazione di questi fattori, per il periodo 1970-2016 lo scenario B risulta in un tasso di riscaldamento superiore del 30% circa a quello osservato.

Primo rapporto di valutazione IPCC, 1990

Il primo rapporto di valutazione dell’IPCC del 1990 (First Assessment Report, FAR) ha riportato i risultati di modelli relativamente semplici di atmosfera e oceano per stimare i cambiamenti nella temperatura globale in risposta a diversi scenari emissivi. Lo scenario business-as-usual (BAU) ipotizzava una rapida crescita della CO 2 atmosferica fino a 418 ppm nel 2016 (il valore effettivamente osservato è di 404 ppm). Il FAR assumeva anche una crescita continua delle concentrazioni atmosferiche degli alocarburi molto più rapida di quanto effettivamente sia accaduto.

Nel FAR la stima di sensibilità climatica è pari a 2,5 °C per un raddoppio della concentrazione di CO 2 e ha una forbice di 1,5-4,5 °C. Queste stime applicate allo scenario BAU hanno fornito gli andamenti di crescita di temperatura mostrati nella figura sottostante (la linea nera spessa si riferisce al valore di 2,5 °C di sensibilità climatica e le linee nere sottili tratteggiate si riferiscono al limite inferiore e superiore della forbice).

Riscaldamento previsto dal primo rapporto di valutazione IPCC, 1990 (proiezione media linea nera spessa, con i limiti superiori e inferiori rappresentati da linee nere sottili tratteggiate). Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

Nonostante una stima della sensibilità climatica di poco inferiore a 3 °C, valore utilizzato oggi, nello scenario BAU il FAR ha sovrastimato del 17% circa il tasso medio di riscaldamento tra il 1970 e il 2016: 1 °C rispetto ai 0,85 °C osservati. Ciò è dovuto principalmente ad una previsione delle concentrazioni di CO 2 atmosferica molto più elevata di quella effettiva.

Secondo rapporto di valutazione IPCC, 1995

Il SAR (Second Assessment Report) ha pubblicato i risultati delle proiezioni disponibili dal 1990 in poi, basate su una sensibilità climatica di 2,5 °C, con una forbice di 1,5-4,5 °C. Lo scenario medio di emissioni, “IS92a”, prevedeva livelli di CO 2 di 405 ppm nel 2016, quasi identico alle concentrazioni osservate. Il SAR ha incluso inoltre un trattamento molto migliore degli aerosol antropogenici, i quali hanno un effetto di raffreddamento sul clima.

Riscaldamento previsto dal secondo rapporto di valutazione IPCC, 1995 (proiezione media linea nera spessa, con i limiti superiori e inferiori rappresentati da linee nere sottili tratteggiate). Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

Come si può notare dal grafico sovrastante, le proiezioni del SAR hanno sottostimato le osservazioni, presentando un riscaldamento più lento del 28% circa rispetto alle osservazioni nel periodo dal 1990 al 2016. Ciò è probabilmente dovuto alla combinazione di due fattori: una sensibilità climatica inferiore rispetto a quella riscontrata nelle stime attuali (2,5 °C vs 3 °C) e una sovrastima della forzante radiativa della CO 2 (4,37 W/m2 rispetto a 3,7 W/m2 utilizzato nei rapporti IPCC successivi).

Terzo rapporto di valutazione IPCC, 2001

Il TAR (Third Assessment Report) è basato sui modelli accoppiati di circolazione generale atmosfera-oceano (GCMs) sviluppati da sette gruppi di modellistica climatica. È stato introdotto un nuovo insieme di scenari di emissione socioeconomici ( SRES) che comprendevano quattro possibili traiettorie di emissioni future.

Tutti gli scenari hanno traiettorie di emissioni e di riscaldamento abbastanza simili fino al 2020. Lo scenario A2 ha previsto una concentrazione di CO 2 atmosferica nel 2016 di 406 ppm, quasi identica a quella osservata. I modelli hanno utilizzato le forzanti previste negli scenari SRES dall’anno 2000 in poi e le stime delle forzanti storiche per il periodo precedente.

Riscaldamento previsto dal terzo rapporto di valutazione IPCC, 2001 (proiezione media linea nera spessa, con i limiti superiori e inferiori rappresentati da linee nere sottili tratteggiate). Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

La linea grigia tratteggiata nella figura sopra mostra il punto in cui i modelli passano dall’utilizzo delle emissioni e delle concentrazioni osservate (“Hindcast”) a quelle previste negli scenari futuri (“Forecast”).

Nel TAR la principale proiezione fu realizzata con un modello climatico semplice configurato per accordarsi alla media dei risultati di sette GCMs più sofisticati, senza pubblicare una media multi-modello specifica, e i dati delle simulazioni dei singoli modelli non sono facilmente disponibili. Il modello ha una sensibilità climatica di 2,8 °C per un raddoppio della concentrazione di CO 2 , variabile in una forbice di 1,5-4,5 °C. Come mostrato nel grafico sovrastante, il tasso di riscaldamento nel periodo compreso tra il 1970 e il 2016 è inferiore del 14% circa a quello osservato.

Quarto rapporto di valutazione IPCC, 2007

L’AR4 (Fourth Assessment Report) ha incluso modelli con notevoli miglioramenti nel trattamento della dinamica atmosferica e nella risoluzione. Ha fatto maggior uso di modelli del Sistema Terra (Earth System Models, ESMs), che incorporano la biogeochimica del ciclo del carbonio e una migliore rappresentazione dei processi alla superficie delle terre emerse e dei ghiacci.

AR4 ha utilizzato gli stessi scenari SRES del rapporto precedente, con emissioni e concentrazioni atmosferiche storiche fino all’anno 2000 e dopo scenari futuri. I modelli utilizzati avevano una sensibilità climatica media di 3,26 °C, in una forbice di 2,1- 4,4 °C.

Riscaldamento previsto dal quarto rapporto di valutazione IPCC, 2007 (media della previsione: linea nera spessa; i limiti superiore e inferiore della fascia due-sigma sono mostrati dalla linea nera sottile). Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

La figura sopra mostra le simulazioni dei modelli per lo scenario A1B (l’unico scenario per cui le simulazioni sono facilmente disponibili, nonostante le concentrazioni di CO 2 nel 2016 siano quasi identiche a quelle dello scenario A2). Le proiezioni di AR4 tra il 1970 e il 2016 mostrano un riscaldamento abbastanza vicino alle osservazioni, più alto soltanto dell’8%.

Quinto rapporto di valutazione IPCC, 2013

L’AR5 (Fifth Assessment Report) include i risultati di modelli climatici ulteriormente perfezionati, con un’incertezza nelle proiezioni future lievemente ridotta rispetto a quelli del rapporto precedente. I modelli climatici fanno parte del “Coupled Model Intercomparison Project 5” (CMIP5), in cui decine di gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno fatto girare i propri modelli utilizzando lo stesso insieme di dati input in ingresso e di scenari.

Riscaldamento previsto dal quinto rapporto di valutazione IPCC, 2013 (media della proiezione: linea nera spessa; limiti superiore e inferiore della fascia due-sigma sono rappresentati con linea nera sottile). La linea nera tratteggiata mostra i campi del modello ibrido. Grafico realizzato da Carbon Brief con Highcharts.

L’AR5 ha introdotto un nuovo gruppo di scenari che descrivono l’evoluzione futura delle concentrazioni di gas serra: i “Representative Concentration Pathways” (RCPs). Si riferiscono al periodo successivo al 2006, mentre forzanti storiche vengono usate per il periodo precedente. La linea grigia tratteggiata nella figura sopra mostra dove avviene la transizione nei modelli tra l’utilizzo delle forzanti osservate e quelle ipotizzate per il futuro.

Confrontare i risultati di questi modelli con le osservazioni è un esercizio un po’ arduo. La variabile che viene più spesso presa in considerazione nei modelli è la temperatura atmosferica superficiale globale (TAS, Surface Air Temperature, mostrata nella figura sopra con la linea nera spessa) da confrontare con le temperature osservate su tutto il globo che includono le temperature dell’aria sopra alla superficie delle terre emerse e le temperature superficiali marine.

Per questo, i modelli più recenti hanno “campi” che combinano entrambe le temperature e risultano maggiormente confrontabili con ciò che è effettivamente misurato. Questi campi “misti”, rappresentati dalla linea nera tratteggiata nella figura sopra, mostrano un riscaldamento leggermente inferiore a quello delle temperature globali superficiali dell’aria.

Nei modelli CMIP5 l’aria sopra gli oceani si riscalda più velocemente di quanto faccia la superficie del mare, e le temperature globali dell’aria alla superficie aumentano del 16% circa più velocemente rispetto alle osservazioni dal 1970 in poi. Di questa differenza, il 40% circa è dovuto al fatto che nei modelli la temperatura dell’aria sopra l’oceano si scalda più velocemente di quella dell’acqua alla superficie; i campi misti mostrano un riscaldamento superiore soltanto del 9% a quello osservato (rispetto al 16% riportato sopra). In un recente articolo su Nature, Iselin Medhaug e colleghi suggeriscono che la restante differenza sia dovuta ad una combinazione, non inclusa nelle proiezioni dei modelli dal 2005 in poi, della variabilità climatica naturale a breve termine (principalmente nell’Oceano Pacifico), piccole eruzioni vulcaniche e un’attività solare inferiore a quella attesa.

Di seguito, si riporta un riepilogo di tutti i modelli che Carbon Brief ha esaminato. La tabella mostra la differenza tra il tasso di riscaldamento che risulta da ogni modello o insieme di modelli, e le osservazioni di temperatura della NASA. Tutte le temperature derivanti dalle osservazioni sono abbastanza simili tra loro, ma la serie della NASA fa parte del gruppo che, negli ultimi anni, ha una copertura globale osservativa più completa e, di conseguenza, è più direttamente confrontabile con i dati del modello climatico.

*Per il SAR le differenze di tendenza sono calcolate nel periodo 1990-2016, perché le stime antecedenti il 1990 non sono facilmente disponibili.

# La differenza fra parentesi si riferisce ai campi misti del modello.

Conclusioni

In generale dal 1973 in poi i modelli climatici hanno previsto il riscaldamento con un buon grado di affidabilità. Se da un lato alcuni modelli hanno fornito proiezioni sottostimate ed altri sovrastimate, tutti i modelli hanno danno risposte ragionevolmente vicine a ciò che si è realmente osservato, in particolare se si tiene conto delle differenze tra le concentrazioni di CO 2 e le altre forzanti climatiche previste dal modello e quelle reali.

I modelli sono tutt’altro che perfetti e continueranno a essere migliorati nel tempo. Mostrano un intervallo abbastanza ampio di riscaldamento futuro che non può essere facilmente ridotto basandosi solo sulla conoscenza dei cambiamenti climatici che abbiamo già osservato.

Ciò nonostante, la stretta correlazione tra riscaldamento previsto dai modelli e quello effettivamente osservato dal 1970 suggerisce che per il futuro le stime potrebbero risultare altrettanto accurate.

Note metodologiche

L’ecologo Dana Nuccitelli ha gentilmente fornito un’utile lista di confronti tra modelli e osservazioni passate, disponibile qui. Il software PlotDigitalizer è stato utilizzato per estrarre i valori dalle figure meno recenti quando i dati non erano disponibili altrimenti. I dati dei modelli CMIP3 e CMIP5 sono stati ottenuti con KNMI Climate Explorer [4].

Testo di Zeke Hausfather, tratto da “Analysis: How well have climate models projected global warming?”

Traduzione a cura di: Martina Daddi, Daniele Moncecchi, Federica Guerrini, Yousra Saoudi, Licia Gallazzi. Revisione di Elisa Palazzi, Sylvie Coyaud e Stefano Caserini.