Analiz: İklim Modelleri Küresel Isınmayı Ne Kadar İyi Yansıtıyor?

Bilim insanları son kırk yıldır, gitgide karmaşıklaşan modellerle iklim değişikliğinin geleceğini yansıtmaya çalışıyorlar.

Atmosfer fiziği ve biyojeokimya (yer dirim kimyası) kullanarak oluşturulan bu modeller Dünya'nın iklimini ve gelecekte iklimin nasıl değişeceğini anlamamızda çok önemli bir rol oynuyor.

Sizin için Carbon Brief'ten çevirdiğimiz bu yazıda 1973'ten beri öne çıkmış iklim modellerinin küresel iklimin geçmişini ve geleceğini ne kadar iyi yansıttıklarını irdeleyeceğiz.

Bazı modeller tecrübe ettiğimizden daha az, bazıları ise daha fazla bir ısınma öngörmekle birlikte modellerin hepsi 1970 ile 2016 yılları arasındaki yüzey ısınmasını ufak farklarla tahmin edebildi, farklar özellikle gelecekteki emisyonlar göz önüne alındığında ortaya çıkıyor.

Geçmişteki İklim Modelleri Nasıl Değişti?

Geçmişin iklim modelleri atmosferik sera gazı yoğunlukları, volkanik püskürtmeler ve Dünya iklimini etkileyen ışınımsal zorlama gibi bilgilerden yararlanır, gelecekle ilgili tahminlerde ise anlayabileceğiniz gibi daha fazla bilinmezlik vardır. İklim modelleri hem geçmiş hem de gelecekteki sıcaklıkları tahmin etme yetenekleriyle değerlendirilebilir.

Geçmişi tahmin etmek, yani modelleri geçmişteki sıcaklıklara karşı test etmek yararlıdır çünkü böylece ışınımsal zorlamayı kontrol edebilirsiniz. Geleceği tahmin etmek de yararlıdır çünkü modeller gözlemlere bire bir benzer olacak şekilde ayarlanamaz. İklim modelleri geçmişteki sıcaklık kayıtlarına birebir uyuşmaz ancak modelciler bulut fiziği, aerosol etkisi gibi model parametrelerini seçebilmek için geçmiş gözlemlerin bilgilerinden yararlanır.

Aşağıda bahsedeceğimiz örneklerdeki iklim modelleri 1973 ile 2013 yılları arasında yayınlanmıştır. Bu modellerin sonuçları beş farklı organizasyonun gözlem sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Öngörü için kullanılan modeller basit enerji dengesi modellerinden tamamen birleşmiş Dünya Sistemi Modellerine kadar değişik karmaşıklık seviyelerindedir.

Şuna dikkatinizi çekmek isteriz: Sıcaklıkların zaman içindeki değişimini daha net görebilmek amacıyla bu model/gözlem karşılaştırmalarında, analizlerin ilk yılları sırasında yapılan gözlem ve modelleri gösterebilmek için 1970-1990 yılları arasındaki dönem temel alınmıştır.

Sawyer, 1973

Gelecekteki ısınmayı tahmin etmeyle ilgili ilk öngörü modelleri 1973 yılında İngiltere Meteoroloji Ofisi'ndeki John Sawyer tarafından hazırlanmıştır. 1973 yılında Nature dergisinde yayınlanan makaleye göre; Sawyer, 1969-2000 yılları arasında dünyanın 0.6°C ısınacağını ve atmosferik CO₂'in %25 artacağını iddia etmiştir. Sawyer iklim duyarlılığı için gereken sıcaklığın 2.4°C olduğunu savunuyordu. Şu an IPCC'nin (İklim Değişikliği Paneli) tahmin ettiği 3°C'ye bir hayli yakın, değil mi? Yeri gelmişken, iklim duyarlılığı atmosferdeki CO₂ seviyesinin iki katına çıkması halinde uzun dönemde ne kadar bir ısınma gerçekleşir sorusunun yanıtıdır.

Bu makaledeki diğer öngörülerin aksine Sawyer, her yıl için bir ısınma değeri tanımlamamış, sadece 2000 yılı için bir son değer belirlemiştir. 0.6°C'lik ısınma tahmini de gerçeğe bir hayli yakındır. Tahmin yürüttüğü zaman aralığında gözlenen ısınma 0.51 ile 0.56°C arasındaydı. Ancak 2000 yılı için tahmin ettiği atmosferik CO₂ yoğunluğu biraz yüksekti. Sawyer'ın tahminine göre 375-440 ppm arasında olması gereken karbondioksit yoğunluğu 2000'de 370 ppm olarak ölçüldü.

Broecker, 1975

Küresel ısınma nedeniyle gelecekteki sıcaklıkların ne olacağına dair ilk öngörü Kolombiya Üniversitesi'nden Prof. Wally Broecker tarafından hazırlanan ve 1975 yılında Science dergisinde yayınlanan modeldir. Broecker, eğer atmosferik CO₂ yoğunluğu 1975'ten itibaren hızla artarsa iklimin nasıl değişeceğini basit enerji dengesi modeli kullanarak tahmin yapmaya çalışmıştır. Broecker'ın öngördüğü ısınma birkaç on yıl boyunca gözlemlere oldukça yakındı ancak son zamanlar için tahminlerinin görece yüksek kaldığını söylemek gerekir.

Broecker'ın tahminleriyle gözlemler arasındaki farkın asıl nedeni kendisinin CO₂ emisyonlarıyla atmosferik yoğunluğun artışıyla ilgili kabul ettiği hipotezden kaynaklanır. Broecker 2000 yılına kadar oldukça doğru tahminlerde bulunmuştu, CO₂ yoğunluğunu 373 ppm olarak tahmin etmişti. Mauna Loa Gözlemevi'nin gözlemine göre CO₂ yoğunluğu 370 ppm'di. Ancak 2016'ya geldiğimizde, Broecker 424 ppm CO₂ yoğunluğu tahmin etmişken yalnızca 404 ppm gözlemlenmiştir.

Bunun yanı sıra Broecker modelini oluştururken diğer sera gazlarını hesaba katmamıştı. Buna rağmen; metan, azot oksit ve halokarbonların ısıtma etkisi, 1970'lerden beri aerosollerin soğutma etkisiyle büyük ölçüde sıfırlandığı için bu durum büyük bir fark yaratmaz. Ancak şunu da eklemekte fayda var, aerosol kuvvetleri ile ilgili tahminler büyük belirsizlikler içermektedir.

Sawyer gibi Broecker da iklim duyarlılığı için 2.4°C sıcaklığını öngördü. Broecker, atmosferik CO₂ yoğunluğuna uyum sağlamak için Dünya'nın birden ısındığını tahmin ediyordu. Ancak modern modelleri incelediğinizde modellerin atmosfer ve okyanus ısınmaları arasındaki gecikmeyi de hesaba kattığını görürsünüz. (Okyanusların yavaş ısınması genelde iklim sistemin "termal ataleti" olarak adlandırılır.)

Aşağıdaki grafikte siyah çizgiler Broecker'ın sıcaklık artışı tahminlerini, renkli çizgiler ise gözlemleri ifade etmektedir.

Carbon Brief

Broecker bu modeli hazırlarken bilim insanları çoğunlukla gözlemlerin Dünya'nın gitgide soğuduğunu gösterdiğini savunuyorlardı. O ise makalesine öngörülü bir şekilde şunu belirterek başladı: "On yıl gibi bir süre içinde günümüzdeki soğuma eğiliminin yerini karbondioksidin sebep olduğu belirgin bir ısınmaya bırakacağına dair güçlü kanıtlar var."

Hansen ve ark., 1981

NASA'dan Dr. James Hansen ve meslektaşları 1981 yılında basit enerji dengesini temel alarak gelecekteki ısınmayı tahmin eden bir modelle ilgili bir makale yayınladılar. Broecker'dan farklı olarak Hansen'in modeli okyanusların termal ataletini de hesaba katıyordu. CO₂'nin iki katına çıkması durumundaki iklim duyarlılığını 2.8°C olarak hesapladılar. Bunun yanında 1.4-5.6°C aralığındaki sıcaklıklara da baktılar.

Carbon Brief

Hansen ve meslektaşları gelecekteki emisyon ve iklim duyarlılığını çeşitlendirerek pek çok farklı senaryo oluşturdular. Yukarıdaki grafikte; kalın siyah çizgi 1981'den sonra CO₂ yoğunluğunun yıllık %4 oranında arttığı "hızlı büyüyen senaryo"yu, ince gri çizgide ise yoğunluk artışının yıllık %2 oranında arttığı "yavaş büyüyen senaryo"yu görebilirsiniz. Hızlı büyüyen senaryo mevcut emisyonları biraz yüksek hesaplasa da görece daha düşük bir iklim duyarlılığıyla birleştiğinde 2000'li yılların başlarında gözlenen değerlere yakın değerler tahmin ediyor.

1981 yılında Hansen ve ark. tarafından öngörülen hızlı büyüme senaryosundaki 1970-2016 toplam ısınma oranı, gözlenen değerlerden %20 civarında daha düşüktür.

Hansen ve ark., 1988

Hansen ve meslektaşları tarafından 1988'de yayınlanan makaledeki model ilk modern iklim modelidir. Bu model Dünya'yı atmosferin dokuz dikey katmanı ile sekiz derece enleminde, on derece boylamında ayrık karelere bölmüştür. Aynı zamanda model; aerosolleri, karbondiokside ek olarak çeşitli sera gazlarını ve basit bulut dinamiğini de içermektedir.

Bu modelde farklı sera gazı emisyonu tahminlerine dayanarak üç farklı senaryo üretilmiştir. Aşağıdaki grafikte Senaryo B kalın siyah çizgiyle, Senaryo A ve C ise ince gri çizgilerle gösterilmiştir. Senaryo A, CO₂ ve diğer sera gazı yoğunluklarının bugünkünden yüksek olduğu üstel bir büyüme fonksiyonuna sahipti.

Senaryo B CO₂ emisyonunda kademeli bir düşüş öngörüyordu, ancak 2016 için CO₂ yoğunluğunu 401 ppm olarak tahmin etmekteydi ve bu, 404 ppm olan gerçek değere bir hayli yakındı. Buna rağmen Senaryo B, çok güçlü sera gazları olan çeşitli halokarbonların emisyonlarında sürekli bir artış öngörmüştür. Ancak modelden farklı olarak halokarbonların kullanımı 1987 yılında Montreal Protokolü ile kısıtlanmışıtır. Senaryo C'nin ise emisyon oranları 2000 yılından sonra sıfıra yaklaşıyordu.

Bu üç senaryonun içinde, senaryo B ışınımsal zorlamaya çok yakın olsa da hala %10 gibi bir fazlalığı var. Ayrıca bu model çoğu iklim modeline göre bir hayli yüksek bir iklim duyarlılığı kullanmıştır. Hansen ve ark. bu model için iklim duyarlılığını 4.2°C seçmişlerdi. Bu faktörlerin birleşimin bir sonucu olarak, bu model 1970 ile 2016 arası için, gözlenenden yaklaşık %30 daha yüksek sıcaklıklar tahmin etmiştir.

IPCC İlk Değerlendirme Raporu, 1990

IPCC'nin İlk Değerlendirme Raporu (FAR), küresel hava sıcaklıklarındaki değişimi tahmin edebilmek için görece basit bir enerji dengesi ve yükselen difüzyon okyanus modelleri kullanıyordu. Öne çıkan referans senaryoları (BAU) CO₂ yoğunluğunun hızlı bir şekilde artacağını varsayıyordu, 2016'da 404 ppm olarak gözlenen CO₂ seviyesini 418 ppm olarak tahmin etmişlerdi. Bu ilk rapor, halokarbonların atmosferik yoğunluğunun gözlemlenenden daha hızlı yükseleceğini öngörmüştü.

Bu raporda 1.5°C ile 4.5°C aralığında, CO₂ yoğunluğunun iki katına çıkması durumunda iklim duyarlılığı için 2.5°C gibi gayet iyi bir tahminde bulunulmuştur. Bu tahminlerin referans senaryoya uygulanması sonucu oluşan grafik aşağıdaki gibidir. Grafikteki kalın siyah çizgi iklim duyarlılığının 2.5°C olduğu en iyi tahmini göstermektedir, ince kesik çizgiler ise iklim duyarlılığı için bahsettiğimiz 1.5°C ile 4.5°C aralığını temsil ediyor.

Brief Carbon

İklim duyarlılığı tahminleri, bugünkü 3°C tahminine gayet yakın ve bu sıcaklıktan biraz düşük olmasına rağmen, ilk rapor referans senaryolarında 1970 ile 2016 arasındaki ısınmayı %17 oranında daha yüksek tahmin etmektedir. Bu süre zarfındaki gözlenen ısınma 0.85°C olarak gerçekleşmiş, ancak rapordaki tahmin 1°C olmuştur. Bunun en büyük sebebi gerçekte olandan daha yüksek CO₂ yoğunluğu öngörmeleridir.

IPCC İkinci Değerlendirme Raporu, 1995

IPCC'nin İkinci Değerlendirme Raporu yalnızca 1990'dan sonrası için tahminlerini içeriyordu. İlk rapor gibi bu raporda da 1.5°C ile 4.5°C arasında, iklim duyarlılığı 2.5°C olarak kullanıldı. IS92a olarak adlandırılan ve ortalama bir emisyon öngören senaryoları, 2016 için 405 ppm gibi gayet yakın bir CO₂ seviyesi tahmin etmiştir. Bunun yanı sıra, iklim üzerinde soğutucu özelliği bulunan insan kaynaklı aerosollerin etkisi bu raporda daha iyi kullanılmıştır.

Carbon Brief

Yukardaki grafikten de görebileceğiniz gibi İkinci Değerlendirme Raporu 1990 ile 2016 arasındaki ısınmayı %28 oranında daha düşük tahmin etmiştir. Bunun iki sebebi vardır. Birincisi, 3°C olan güncel tahminlerden daha düşük bir iklim duyarlılığı (2.5°C) kullanılması. İkinci sebebi ise güncel değeri 3.7 watts/m² olan CO₂ üzerindeki ışınımsal zorlama için 4.37 watts/m² gibi çok yüksek bir değer kullanılmasıdır.

IPCC Üçüncü Değerlendirme Raporu, 2001

IPCC Üçüncü Değerlendirme Raporu, yedi farklı modelleme grubunun bir parçası olan atmosfer-okyanus genel dolaşım modelini (GCM) kullanmaktadır. Bunun yanı sıra gelecekteki emisyon yönergeleri için dört farklı model içeren ve SRES olarak adlandırılan yeni sosyoekonomik emisyon senaryolarını ortaya koymuştur.

Bu makalede biz A2 senaryosunu inceleyeceğiz ancak rapordaki senaryoların hepsi 2020'ye kadar benzer ısınma ve emisyon değerlerini göstermektedir. A2 senaryosu 2016 için yine gözleme oldukça yakın olan 406 ppm CO₂ yoğunluğu tahmininde bulunmaktadır. Bahsettiğimiz SRES senaryoları 2000 ve sonrası için hazırlanmıştır ve hazırlanırken 2000 yılı önceki kayıtlar göz önüne alınmıştır. Aşağıdaki grafikte göreceğiniz gri kesikli çizgiler, modellerin geçmişteki emisyon ve yoğunluk değerlerinden gelecekteki değerlerin tahminine geçiş yaptığı noktaları göstermektedir.

Carbon Brief

Raporun kullandığı model, bahsettiğimiz daha karmaşık yedi GCM modelinin ortalama sonuçlarıyla oluşturulmuş daha basit bir iklim modelinin sonucudur. Bu rapor için belirli bir çoklu model ortalaması yayınlanmamıştır ve her bir model için ayrı veriler bulunmamaktadır. Model iklim duyarlılığını 1.5°C ile 4.5°C aralığında ikiye katlanan CO₂ yoğunluğu için 2.8°C hesaplamıştır. Yukarıdaki grafikte de görebileceğiniz gibi, model 1970-2016 arasındaki ısınmayı %14 oranında daha az tahmin etmiştir.

IPCC Dördüncü Değerlendirme Raporu, 2007

IPCC Dördüncü Değerlendirme Raporu atmosfer dinamikleri ve model kararlılığı iyileştirilmiş modeller kullanır. Rapordaki model karbon döngüsünün biojeokimyasını içeren daha iyi bir Dünya Sistemi Modeli içerir. Aynı zamanda kara yüzeyleri ve buz süreç simulasyonları oldukça gelişmiştir.

Dördüncü rapor, üçüncü rapordaki SRES senaryolarını, geçmiş emisyon ve atmosferik yoğunluk değerleri ile kullanarak 2000 ve sonrası için tahminde bulunmaktadır. Model 2.1°C ile 4.4°C aralığı için ortalama iklim duyarlılığını 3.26°C olarak kabul etmiştir.

Carbon Brief

Yukarıdaki grafikte sonuçlarını gördüğünüz değerler, 2016 için CO₂ yoğunluğu A2 senaryosuna çok benzeyen ve verileri kullanılabilir olan A1B senaryosunun sonuçlarıdır. Dördüncü rapor 1970-2016 yılları arasındaki ısınmayı gözlenene çok yakın, %8 oranında daha yüksek hesaplamıştır.

IPCC Beşinci Değerlendirme Raporu, 2013

IPCC'nin en son raporu olan Beşinci Değerlendirme Raporu, iklim modellerindeki ek iyileştirmelerinin yanı sıra gelecekteki modellerle ilgili belirsizliği de gözle görülür biçimde azalttı. Bu raporda kullanılan iklim modeli, dünyanın dört bir yanından onlarca farklı modelleme grubunun aynı senaryo ve girdileri kullanarak yürüttükleri Çiftli Model Döngülü-Karşılaştırma Projesi 5'in (İng.: Coupled Model Intercomparison Project 5 - CMIP5) bir parçasıdır.

Carbon Brief

Bu rapor Temsili Konsantrasyon Rotaları (RCP) olarak bilinen, sera gazı yoğunlukları ile ilgili yeni senaryoları kullanmıştır. 2006'dan öncesindeki geçmiş verileri kullanarak 2006 ve sonrası için tahminde bulunmuştur. Yukarıdaki grafikte göreceğiniz gri kesikli çizgiler, gözlenen ışınımsal zorlamadan gelecekteki ışınımsal zorlamaya geçişi göstermektedir.

Bu modellerin sonuçlarını gözlemlenen değerlerle karşılaştırmak çok aldatıcı olabilir. İklim modellerinde en çok kullanılan veriler genel yüzey hava sıcaklıklarıdır. Ancak gözlemlenen sıcaklıklar, kara üzerindeki yüzey hava sıcaklıklarından, okyanus üzerinde ise deniz yüzeyi sıcaklıklarından alınmaktadır.

Bunu hesaba katabilmek ve gözlemlerdeki değerlerle uyum sağlayabilmek için, daha yeni modeller kara yüzeyi ve deniz / okyanus yüzeyi sıcaklıklarını içeren harmanlanmış veriler kullanmaktadır. Yukarıdaki grafikte kesikli çizgilerle gösterilen bu harmanlanmış veriler, son yıllarda okyanus üzerindeki havanın deniz yüzeyi sıcaklıklardan daha hızlı ısınması nedeniyle, genel yüzey hava sıcaklıklarından daha az ısınma göstermektedir.

CMIP5 modellerindeki genel yüzey hava sıcaklığı 1970'ten bu yana gözlemlenenden %16 daha hızlı ısınmıştır. Bu farkın %40'lık bir kısmı modelde okyanus yüzeylerinin deniz yüzey sıcaklıklarından daha hızlı ısınmasından kaynaklanmaktadır. Harmanlanmış veriler ise gözlemlenen değerlerden yalnızca %9 daha hızlı ısınmıştır.

Iselin Medhaugh ve meslektaşları tarafından Nature'da yayınlanan bir makale 2005 sonrası hesaplamalarda göz önüne alınmamış bir etkiden söz ediyor. Medhaug farkın kalanının özellikle Pasifik Okyanusu'ndaki kısa vadeli doğal değişikliklerin, küçük volkanların ve beklenenden daha düşük güneş enerjisi çıktısının birleşimiyle hesaplanabileceğini iddia ediyor.

Aşağıda bulunan tablo bu makalede incelediğimiz tüm modellerin bir özetini içeriyor. Tablo her modelin veya model gruplarının ısınma oranları tahminleri ile NASA'nın sıcaklık gözlemleri arasındaki yüzde olarak farkı içeriyor. Aslında tüm gözlem sonuçları birbirine benzerdir, ancak NASA son yıllarda küresel sıcaklık değerlerini daha kapsamlı gözlemleyebildiğinden tablonun gözlemlenen değerleri için NASA'nın değerleri göz önüne alınmıştır.

Carbon Brief

Sonuç

1973'ten bu yana yayımlanan iklim modelleri gelecek değerleri tahmin etmede yetenekliydiler. Bazılarının değerleri çok düşük bazılarınınki çok yüksek olsa da, özellikle tahmin edilen ve gerçekleşen CO₂ yoğunlukları ile diğer iklim kuvvetleri göz önüne alındığında sonuçları gözlemlenen değerlere oldukça yakındı.

Modeller mükemmellikten çok uzaklar ve zaman içinde iyileşmeye devam edecekler. Ayrıca modeller yalnızca gözlemlediğimiz değerler kullanılarak gelecek için daraltılamayan oldukça geniş bir ısınma yelpazesini gözler önüne sermektedir.

Bununla birlikte, 1970'ten bu yana yapılan tahminler ile gözlemler arasındaki yakın eşleşme modellerin daha ileri tahminlerinin de büyük ihtimalle benzer şekilde doğru olarak gözlemleneceğini kanıtlamaktadır.

Metodolojik Notlar

Makalede adı geçen modellerin ve gözlemlerin karşılaştırılmasında çevre bilimci Dana Nutticelli yardımcı olmuştur. Eksik veriler daha önceki verilerden PlotDigitizer yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. CMIP3 ve CMIP5 modellerinin verileri ise KNMI Climate Explorer'dan elde edilmiştir.