Alles zien Auteurs en affiliaties verbergen

Bijgedragen door Michael E. Mann, 12 juli 2021 (verzonden voor beoordeling 12 juli 2021; beoordeeld door Matthew Huber en Drew T. Shindell)

Ik bespreek de belangrijke ontwikkelingen, huidige uitdagingen en toekomstige richtingen in het deelgebied van paleoklimatologie van de gewone tijdrekening sinds de publicatie van de nu iconische "hockeystick"-curve door de auteur en medewerkers meer dan twee decennia geleden, met een focus op hoe paleoklimaatinformatie kan ons inzicht verschaffen in de impact van door de mens veroorzaakte klimaatverandering.

Meer dan twee decennia geleden publiceerden mijn co-auteurs, Raymond Bradley en Malcolm Hughes, en ik de nu iconische 'hockeystick'-curve. Het was een eenvoudige grafiek, afgeleid van grootschalige netwerken van diverse klimaatproxygegevens ("multiproxy"), zoals boomringen, ijskernen, koralen en meersedimenten, die de ongekende aard van de huidige opwarming weergaf. Het werd een centraal punt in het debat over door de mens veroorzaakte klimaatverandering en wat eraan te doen. Toch verraadt de schijnbare eenvoud van de hockeystickcurve de dynamiek en complexiteit van de klimaatgeschiedenis van de afgelopen eeuwen en hoe het ons begrip van door de mens veroorzaakte klimaatverandering en de gevolgen ervan kan informeren. In dit artikel bespreek ik de lessen die we kunnen leren uit het bestuderen van paleoklimaatrecords en klimaatmodelsimulaties van de "Common Era", de periode van de afgelopen twee millennia waarin het "signaal" van door de mens veroorzaakte opwarming dramatisch van de achtergrond is gestegen of natuurlijke variabiliteit.

Het is duidelijk dat er een waarschuwend verhaal is dat wordt verteld door de hockeystickcurve in de ongekende opwarming die we veroorzaken, maar de lessen uit het paleoklimaatrecord van de gewone tijdrekening (CE) gaan veel verder. Wat kunnen we bijvoorbeeld afleiden over de rol van dynamische mechanismen die relevant zijn voor de huidige gevolgen van klimaatverandering uit hun eerdere reacties op natuurlijke drijfveren? Voorbeelden zijn het El Niño-fenomeen, de Aziatische zomermoesson en de circulatie in de Noord-Atlantische Oceaan. Zijn er potentiële "tipping point"-elementen binnen deze klimaatsubsystemen? Hoe is de zeespiegel in de afgelopen eeuwen veranderd en wat vertelt het ons over toekomstig kustrisico? Zijn er natuurlijke langetermijnschommelingen, duidelijk in het paleoklimaatrecord, die vandaag de dag zouden kunnen concurreren met door de mens veroorzaakte klimaatverandering? Kunnen we de "gevoeligheid" van het klimaat voor aanhoudende door de mens veroorzaakte toenames van broeikasgasconcentraties beoordelen door te onderzoeken hoe het klimaat in het verleden op natuurlijke factoren heeft gereageerd? Kunnen betere schattingen van trends uit het verleden ons ook informeren over hoe dicht we bij kritieke "gevaarlijke" opwarmingsdrempels zijn? In dit artikel probeer ik dergelijke vragen te beantwoorden en gedachten te geven over manieren om meer zelfverzekerde antwoorden te krijgen.

In de twee decennia sinds de originele "hockeystick"-werken van Mann et al. [1998 (1) en 1999 (2), vaak aangeduid als "MBH98" en "MBH99", overeenkomend met respectievelijk de auteurs Mann, Bradley en Hughes], die teruggingen tot 1000 CE, zijn er veel meer paleoklimaatgegevens beschikbaar gekomen , zijn meer geavanceerde methoden ontwikkeld en toegepast op deze gegevens, en langere reconstructies zijn bereikt met behulp van lagere resolutie maar aanzienlijk langere paleoklimaatproxyrecords. Het nettoresultaat is een echte "hockeycompetitie" (3, 4) - tientallen onafhankelijke onderzoeken die tot vergelijkbare conclusies komen en een langere, stevigere hockeystick (Fig. 1). Bijgewerkte reconstructies laten zien dat de recente opwarming abnormaal is in een context op zelfs langere termijn, tenminste de afgelopen twee millennia en meer voorlopig, de afgelopen 20.000 jaar (5, 6), dan oorspronkelijk twee decennia geleden werd geconcludeerd door Mann et al. (2). Studies met klimaatmodellen aangedreven door geschatte natuurlijke (vulkanische en zonne-) en antropogene forcering tonen aan dat alleen deze laatste deze ongekende opwarmingstrend kan verklaren (3).

Vergelijking van temperatuurreconstructies die de CE overspannen, inclusief de originele Mann et al. (2) hockeystickreconstructie (1, 2) en het 95%-onzekerheidsbereik en verschillende versies van de PAGES2k-reconstructie (Past Global Changes Last Two Millennium-initiatief) (4) en onzekerheidsbereik, evenals de reconstructie met een lagere resolutie van Marcot et al. (5) en zijn onzekerheden. De afgevlakte Hadley Center en Climatic Research Unit Surface Temperature Product versie 4 (HadCRUT4) instrumentale wereldwijde temperatuurreeks wordt ter vergelijking getoond. RegEM verwijst naar een statistische reconstructie op basis van de Regularized Expectation-Maximization-methode.

Vanuit het standpunt van het publieke discours over klimaatverandering zijn deze conclusies significant. Ze onderstrepen de diepgaande, ongekende impact die menselijke activiteit – in het bijzonder het verbranden van fossiele brandstoffen – heeft op onze planeet. Vanuit wetenschappelijk oogpunt hebben enkele van de belangrijkste inzichten - inzichten die inderdaad het oorspronkelijke werk van MBH98 motiveerden - betrekking op patronen van variabiliteit uit het verleden en wat ze ons kunnen vertellen over de dynamiek van het klimaatsysteem en de reactie op externe factoren of " dwingen.” We onderzoeken deze inzichten in de volgende sectie.

Veel van de belangrijkste effecten van klimaatverandering hebben betrekking op dynamische componenten van het klimaatsysteem en hun reactie op antropogene klimaatforcering. Deze omvatten de El Niño/Southern Oscillation (ENSO), die weerpatronen over de hele wereld beïnvloedt, onder andere met gevolgen voor de droogte in het westen van de VS en de Atlantische orkaanactiviteit. Deze omvatten de Arctische Oscillatie (AO) of nauw verwante Noord-Atlantische Oscillatie (NAO), die weerpatronen in Noord-Amerika en Eurazië beïnvloeden. Ze omvatten ook de Aziatische zomermoesson waarvan meer dan een miljard mensen afhankelijk zijn voor hun zoetwatervoorziening. Ten slotte is er de Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), vaak de "oceaantransportband" -circulatie genoemd. De AMOC levert warm water aan de hoge breedtegraden van de Noord-Atlantische Oceaan, verwarmt aangrenzende regio's en circuleert voedingsstoffen naar de oppervlaktewateren van de Noord-Atlantische Oceaan, terwijl de zeespiegel langs delen van de Amerikaanse oostkust wordt onderdrukt.

We kunnen deze belangrijke dynamische componenten van het klimaatsysteem en hun potentiële rol in klimaatverandering beter begrijpen door te bestuderen hoe ze hebben gereageerd op natuurlijke factoren uit het verleden, zoals vulkanische en zonnestralingsforcering. Bovendien kunnen we beoordelen of er momenteel dramatische veranderingen in deze systemen plaatsvinden door recente trends te vergelijken met het record van de afgelopen één tot twee millennia.

Droogte in het zuidwesten van de woestijn, die grote bevolkingscentra in Californië, Nevada en Arizona treft, wordt gemoduleerd door ENSO. Hoewel de invloed van gebeurtenis tot gebeurtenis verschilt, zijn El Niño-jaren meestal natter dan normaal en zijn La Nina-jaren droger dan normaal. ENSO heeft ook invloed op de Atlantische orkaanactiviteit, waarbij El Niño-jaren minder actief zijn en La Nina-jaren actiever dan normaal. Elke verandering in de gemiddelde toestand en variabiliteit van ENSO kan ingrijpende gevolgen hebben voor deze en andere verschijnselen die van invloed zijn op Noord- en Zuid-Amerika, Afrika, Australië, Indonesië en andere regio's die door ENSO worden beïnvloed.

State-of-the-art klimaatmodellen zoals die worden gebruikt in de meest recente beoordeling van het vijfde beoordelingsrapport (AR5) van het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering (IPCC), bieden echter beperkte richtlijnen. Ze vertonen een groot bereik in de reactie van de tropische Pacifische staat op antropogene broeikasforcering. Bovendien zijn de modellen over het algemeen niet consistent met de waarnemingen; de modellen vertonen een trend in de richting van een El Niño-achtige gemiddelde staat, met een verminderd contrast tussen het warme zwembad in de westelijke Stille Oceaan en de "koude tong" in de oostelijke Stille Oceaan, terwijl de waarnemingen een neutrale of zelfs tegengestelde, La Nina-achtige trend in het verleden laten zien midden in de eeuw. Seager et al. (7) stellen dat dit falen van modellen om de waargenomen reactie op verwarming te produceren een gevolg is van een vertekende gemiddelde toestand in de modellen, geassocieerd met een te sterke opwelling in de koude tong in de oostelijke equatoriale Stille Oceaan. Ze waarschuwen dat dit de projecties van klimaatmodellen kan vertekenen in de vele regio's die gevoelig zijn voor het forceren van de tropische Pacifische zee-oppervlaktetemperatuur (SST).

De dynamische mechanismen in kwestie hebben betrekking op eerder werk van Clement en collega's (8, 9), die betoogden dat de opwelling van koud water en ondiepe thermocline in de oostelijke equatoriale Atlantische Oceaan zich verzetten tegen de stralingsgeforceerde opwarming in de oostelijke equatoriale Stille Oceaan terwijl de westelijke equatoriale Stille Oceaan voortduurt te heet. De Bjerknes-feedbacks versterken deze geforceerde respons, waardoor sterkere passaatwinden en een sterkere zonale SST-gradiënt ontstaan ​​(dwz een algemeen "La Nina"-achtig relatief patroon van SST-verandering). Recent werk levert een meer genuanceerd beeld op, wat suggereert dat er sprake is van een voorbijgaand getouwtrek tussen deze dynamische reacties en de thermodynamische respons van een opwarmende thermocline, met een netto respons die tijdschaalafhankelijk kan zijn (10⇓ ⇓ ⇓ –14). Het belang van de dynamische reactie op forceren lijkt niettemin relevant te blijven op de multidecadale tot honderdjarige tijdschalen van belang.

Multiproxy-reconstructies van oppervlaktetemperatuurpatronen over het afgelopen millennium op basis van boomringen, koralen, meersedimenten, ijskernen en andere proxybronnen lijken consistent met een dergelijke dynamische respons, waarbij een La Nina-achtige afkoeling in de oostelijke equatoriale Stille Oceaan wordt weergegeven (15) en een patroon van een droge woestijn in het zuidwesten van de Verenigde Staten (16) en een natte Pacific Northwest in de Verenigde Staten (17) dat consistent is met een La Nina-achtige staat tijdens het eerste deel (1000 tot 1400 na Christus) van het afgelopen millennium. In overeenstemming met de veronderstelde dynamische respons valt die toestand samen met een periode van abnormale positieve (high-solar, low-vulkanische) natuurlijke stralingsforcering. Het La Nina-achtige patroon wordt niet gereproduceerd in wereldwijde gekoppelde klimaatmodelsimulaties van het afgelopen millennium (8), wat te wijten kan zijn aan onzekerheden en vooroordelen in de proxy-records die zo ver terug in de tijd beschikbaar zijn en/of vooroordelen in de modellen. Zoals eerder opgemerkt, reproduceren de huidige generatie klimaatmodellen niet de waargenomen historische trend van weinig of geen opwarming in de oostelijke equatoriale Stille Oceaan. Het paleoklimaatrecord van het afgelopen millennium lijkt in die zin het idee te versterken dat modellen bepaalde belangrijke dynamische reacties niet krijgen op het forceren van rechts en mogelijk de belangrijkste gevolgen van klimaatverandering onderschatten, zoals verdroging in het westen van de Verenigde Staten en verhoogde orkaanactiviteit in de tropische Atlantische Oceaan.

Een belangrijke bijdrage aan het middeleeuwse La Nina-patroon is de relatieve afwezigheid van vulkaanuitbarstingen tijdens de eerste eeuwen van het afgelopen millennium. Een aantal observationele (18) en modelleringsonderzoeken (19, 20) wijzen op een neiging tot een El Niño-achtige reactie op vulkanische stralingsforcering, in overeenstemming met de veronderstelde rol van de Bjerkness-feedbacks. Een recente studie op basis van een lang koraalverslag uit de centrale equatoriale Stille Oceaan (21) pleit tegen een dergelijke reactie. Anderen (20) hebben echter opgemerkt dat een koraalproxy die reageert op lokale SST-veranderingen in de centrale equatoriale Stille Oceaan mogelijk helemaal geen reactie detecteert, terwijl op afstand geplaatste koraal- of boomringproxy's, zoals die worden gebruikt bij grootschalige klimaatreconstructies (15), zou een El Niño-achtige reactie beter kunnen detecteren. Aanvullende proxy-records met hoge resolutie uit belangrijke ENSO-gevoelige regio's uit het afgelopen millennium zouden meer licht kunnen werpen op deze puzzel. In een tijd waarin een getroffen regio - de woestijn in het zuidwesten van de Verenigde Staten - te maken heeft met droogtes die in minstens 1200 jaar (22) ongekend zijn, is dit een belangrijke puzzel om op te lossen.

Een andere intrigerende dynamische reactie op forcering betreft de AO/NAO, een patroon van variatie in het winterstormspoor van jaar tot jaar dat vooral prominent aanwezig is in de Noord-Atlantische sector en invloed heeft op de wintertemperaturen en neerslag in een groot deel van Noord-Amerika en Eurazië. Multiproxy-reconstructies en modelsimulaties suggereren dat de relatieve kou van bepaalde regio's zoals Europa tijdens de zogenaamde "Kleine IJstijd" (bijv. vijftiende tot negentiende eeuw) en omgekeerd, de relatieve warmte van die regio's tijdens het middeleeuwse tijdperk (elfde tot veertiende eeuw eeuwen) consistent zijn met respectievelijk negatieve en positieve AO/NAO-achtige patronen gedurende die tijdsintervallen (15).

Deze reactie lijkt te worden aangedreven door de interactie tussen ultraviolette straling van de zon en de atmosferische dynamiek van de lagere stratosferische/bovenste troposferische atmosfeer die leidt tot een negatief AO/NAO-patroon tijdens perioden van lage zonnestraling (bijv. de Kleine IJstijd) en omgekeerd, een positieve AO /NAO-patroon tijdens de middeleeuwen. Mann et al. (15) laten zien dat een simulatie van het afgelopen millennium met een model dat interactieve ozonfotochemie bevat, het patroon in de multiproxy-reconstructies reproduceert, terwijl een simulatie met een model dat deze processen niet heeft, dat niet doet. De afwezigheid van interactieve ozonfotochemie in de overgrote meerderheid van de onderlinge vergelijkingen van het afgelopen millennium, bijv. het Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), is een ernstige beperking van het vermogen van die modellen om belangrijke regionale klimaatreacties vast te leggen (23), een die dergelijke onderlinge vergelijkingen moeten in de toekomst worden aangepakt.

Neerslag gekoppeld aan de Zuid-Aziatische zomermoesson (SASM) zorgt voor zoet water voor een grote populatie in Zuid-Azië, en het mogelijke toekomstige gedrag ervan onder klimaatverandering is een kwestie van veel aandacht. Hoewel we iets kunnen leren over dit belangrijke onderdeel van het klimaatsysteem door zijn reactie op natuurlijke stralingsforcering uit het verleden te bestuderen, moeten we ons ook bewust zijn van de beperkingen en voorbehouden.

De SASM wordt gekenmerkt door een grotendeels meridionale-verticale circulatie met stijgende beweging over het Indiase subcontinent, aangedreven door differentiële zonneverwarming en orografische heffende en dalende beweging boven de Indische Oceaan. Het wordt soms vergeleken met de neerslag die als gevolg van deze circulatie over land ontstaat. De moessoncirculatie en regenval hoeven echter niet te variëren. In wat soms de "wind-neerslagparadox" (24, 25) wordt genoemd, leidt bevochtiging van de midtroposfeer onder, bijvoorbeeld, broeikasopwarming tot meer regen, maar stabilisatie van de midtroposfeer in het zinkende gebied van de SASM, waardoor de moesson omslaande circulatie. Er wordt dus een divergentie waargenomen tussen SASM-circulatie en door SASM geproduceerde neerslag in de twintigste eeuw en in toekomstige projecties (24, 25). Recente modelsimulaties met hoge resolutie tonen aan dat de twee grootheden in feite in wezen ontkoppeld zijn; het is mogelijk om sterke moessonwinden te hebben zonder regen of moessonregen met zwakke meridionale winden (26).

In een analyse van een simulatie van het afgelopen millennium, Fan et al. (27) vond slechts matige covariatie tussen de SASM-circulatie en SASM-regenval tijdens de pre-industriële periode en een duidelijke ontkoppeling tijdens het moderne tijdperk, waar de SASM-circulatie verzwakt maar SASM-neerslag ongeveer constant blijft. Dergelijke vormen een uitdaging voor de interpretatie van proxy-reconstructies van de SASM in het afgelopen millennium en kunnen mogelijk de divergentie verklaren die wordt waargenomen tussen verschillende vermeende SASM-proxy's, waarvan sommige (bijv. Boomringen) proxy's zijn voor regenval, terwijl andere proxy's zijn voor bevindingen en richting van de windsnelheid (3, 19, 28).

Er zijn extra uitdagingen bij het trekken van conclusies over de SASM uit zowel simulaties als proxygegevens van het afgelopen millennium. Er is een belangrijke invloed van ENSO op de SASM, waarbij El Niño (La Nina) leidt tot een neiging tot een verzwakte (versterkte) moessoncirculatie. Fan et al. (27) observeren een significante verzwakking van de SASM als reactie op vulkanische kracht in het verleden, in overeenstemming met verminderde oppervlakteverwarming door zonne-energie die een vermindering van de kantelende circulatie veroorzaakt. De dynamische respons van ENSO op de eerder besproken stralingsforcering is echter niet duidelijk in de meeste gekoppelde modelsimulaties, inclusief degene die ze hebben geanalyseerd. Deze reactie zou moeten leiden tot een verdere verzwakking van de SASM als gevolg van een El Niño-achtige reactie op vulkanische forcering. Een andere complicatie is de potentiële rol van Indo-Pacific koppeling waarvan bekend is dat deze de SASM beïnvloedt, maar die niet goed is vastgelegd in modellen tijdens het moderne tijdperk (29) en die in het afgelopen millennium aanzienlijke variabiliteit lijkt te hebben vertoond (30).

Toekomstig op proxy's gebaseerd werk zou een meer systematische benadering moeten hanteren voor het definiëren van eerdere veranderingen in de SASM, waarbij met name onderscheid moet worden gemaakt tussen proxy's van circulatie en proxy's van neerslag. Toekomstig modelleringswerk zou gebruik moeten maken van klimaatmodelsimulaties met een hogere resolutie van de volgende generatie waarin SASM-dynamiek goed is opgelost en waar belangrijke dynamische mechanismen, zoals de reactie van ENSO op stralingsforcering, getrouwer worden weergegeven.

Een van de meest significante potentiële dynamische reacties op antropogene klimaatforcering betreft het gedrag van de AMOC/oceaantransportband, een thermohaliene kantelende circulatie die wordt aangedreven door het zinken van koud, zoet water in gebieden op hoge breedtegraden van de Noord-Atlantische Oceaan. Hoewel er veel aandacht is geweest voor de rol van zoetwaterinput en AMOC-verzwakking tijdens de laatste ijstijd en de zogenaamde 8,2-ka-gebeurtenis tijdens het Vroege Holoceen, is er minder aandacht geweest voor het gedrag van de AMOC tijdens de CE. Rahmstorf et al. (31), schatte echter veranderingen in AMOC in het afgelopen millennium met behulp van zowel een AMOC-index die is afgeleid van op multiproxy gebaseerde Noord-Atlantische SST-reconstructies (15) en koraalproxy δ15N-gegevens die dienen als tracers van hellingwater van Labrador. Ze vonden een abnormale afname van de sterkte van het AMOC in de afgelopen eeuw in de context van het afgelopen millennium. Meer recent werk van Caesar et al. (32) het gebruik van slibgegevens van zeesedimenten en foraminiferen-proxygegevens leveren aanvullend bewijs op langere termijn, wat suggereert dat de AMOC-vertraging in de afgelopen eeuw ongekend is sinds ten minste 400 na Christus.

Deze bevinding is significant omdat de ineenstorting van AMOC een van de mogelijke omslagpuntreacties is op antropogene klimaatforcering. Aangezien klimaatmodellen pas aan het einde van de eenentwintigste eeuw een substantiële verzwakking voorspellen, suggereert het feit dat verzwakking al in de twintigste eeuw heeft plaatsgevonden, erop wijzend dat de ineenstorting van het AMOC sneller zou kunnen gaan dan gepland, misschien als gevolg van eerder dan verwachte zoetwaterinput van de Groenlandse smelt (31). Terwijl directe AMOC-waarnemingen tegenstrijdige trends laten zien (33), stelt een recente studie (34), gebaseerd op een verscheidenheid aan complementaire statistieken, dat de ineenstorting van AMOC aan de gang is.

Mogelijke gevolgen van de ineenstorting van het AMOC zijn onder meer verminderde mariene productiviteit in de Noord-Atlantische Oceaan, versnelde zeespiegelstijging langs delen van de Amerikaanse oostkust (als gevolg van het geostrofische evenwicht dat het noordwaartse stromingssysteem in stand houdt), en het potentieel voor grotere tropische Noord-Atlantische opwarming en toegenomen Atlantische orkaanactiviteit (beide worden besproken in de volgende sectie). Het is dus van vitaal belang om de huidige discrepanties tussen modellen en waarnemingen aan te pakken. Een huidige beperking is dat interactieve ijskap-smeltwaterkoppeling niet is opgenomen in multimodel-experimenten met klimaatverandering (bijv. CMIP5 en CMIP6). Door dergelijke processen in toekomstige modelleringsexperimenten op te nemen, kunnen meer zelfverzekerde conclusies worden getrokken. Ondertussen kan een "toekomstbestendig" netwerk op basis van bestaande en nieuwe AMOC-observatiebenaderingen historische trends beter inperken (33).

Klimaatverandering vormt een tweeledige bedreiging voor kustnederzettingen in de vorm van zeespiegelstijging en intensere tropische cyclonen (TC's). Paleoklimaatgegevens en modelsimulaties van de CE kunnen ons inzicht verschaffen in deze bedreigingen en ze in een context op langere termijn plaatsen.

Reconstructies van aan land vallende Atlantische TC's uit overspoelde kustafzettingen van de afgelopen twee millennia suggereren dat de toename van de activiteit van de Atlantische TC in het bekken in de afgelopen decennia ongebruikelijk, maar niet noodzakelijk ongekend is, gedurende die periode (35). Vergelijking met een statistisch model van Atlantische TC-activiteit aangedreven door proxy-gereconstrueerde (15) indices van ENSO, tropische Atlantische SST en de NAO voorspelt een periode van hoge activiteit tijdens de Middeleeuwen (geassocieerd met een warme tropische Atlantische Oceaan en een overheersende La Nina– zoals staat) die wordt geëvenaard door het bewijs van overwash-afzetting, maar er is een discrepantie gedurende de vijftiende eeuw waar de overwash-afzettingen wijzen op een periode van hoge activiteit die niet wordt geëvenaard door het proxy-klimaatindex-gestuurde statistische model.

Synthetische orkaandatasets voor de lange termijn die zijn afgeleid met behulp van downscaling-benaderingen die zijn toegepast op gekoppelde millenniumsimulaties van het afgelopen millennium, zijn gebruikt om zowel statistische steekproefproblemen aan te pakken (36) als langetermijnrelaties tussen klimaat en TC te onderzoeken (36). Kozar et al. (36) analyseerde verkleinde synthetische TC's van een vroege gedwongen millennial-simulatie van het National Center for Atmospheric Research (NCAR) Climate System Model (CSM) 1.4 gekoppeld model, en concludeerde dat composieten van overwash-afzettingen van een bescheiden reeks locaties langs het oosten van de VS De kust, de Golfkust en het Caribisch gebied zijn redelijk representatief voor de activiteit van TC in het hele bekken, hoewel perioden van divergentie gedurende meerdere decennia, zoals waargenomen in de vijftiende eeuw, consistent zijn met de verwachte fluctuaties in de bemonstering. Deze conclusies worden ondersteund door aanvullend werk van Reed et al. (37) het onderzoeken van downscaling-resultaten van de CMIP5 "Last Millennium" -simulaties. Deze simulaties laten slechts een zwakke langetermijnrelatie zien tussen tropische Atlantische SST en metingen van geïntegreerde TC-intensiteit (bijv. de vermogensdissipatie-index), wat suggereert dat de sterke relatie tussen de twee grootheden tijdens het moderne tijdperk (38) specifiek zou kunnen zijn voor moderne antropogene opwarming in de afgelopen decennia en niet generaliseerbaar. Meer betrouwbare beoordelingen van langetermijntrends voor het hele stroomgebied zouden mogelijk moeten zijn naarmate er meer paleo-orkaanrecords op de lange termijn worden teruggevonden (39, 40).

Reconstructies op zeeniveau op basis van kustafzettingen geven aan dat de huidige snelheid van zeespiegelstijging in de afgelopen twee millennia ongekend is (41, 42). De combinatie van stijgende zeespiegel en intensere orkanen die ontstaan ​​in verkleinde historische simulaties (43) heeft geleid tot sterk kortere terugkeerperiodes voor Superstorm Sandy-achtige stormvloeden voor New York City. Garner et al. (44) vinden dat de terugkeerperiode van 500 jaar voor een overstromingshoogte van 2,25 m tijdens de pre-antropogene CE is afgenomen tot ongeveer 24 jaar in het antropogene tijdperk. Ze vinden dat een combinatie van verwachte toekomstige zeespiegelstijging en verdere intensivering van orkanen waarschijnlijk zal leiden tot permanente overstroming voor New York City onder 'business as usual'-emissies, hoewel een tendens tot voortdurende poolwaartse verschuiving in orkaanpaden met klimaatverandering die is opgemerkt in historische en paleoklimaatobservaties (45, 46) hebben de neiging om het risico voor New York City te verkleinen ten koste van een verhoogd risico verder naar het noorden (bijv. Boston).

De analyse van paleoklimaatgegevens door Mann et al. (1, 2) die leidde tot de hockeystickreconstructie van de gemiddelde temperatuur op het noordelijk halfrond, was een uitvloeisel van eerder werk van Mann et al. (47) het analyseren van netwerken van multiproxygegevens om het bewijs voor natuurlijke klimaatschommelingen op de lange termijn te beoordelen. Bewijs van een schijnbare spatiotemporele modus van grootschalige oppervlaktetemperatuurvariabiliteit, waarbij de nadruk wordt gelegd op het Noord-Atlantische bekken, gecombineerd met bewijs van een vergelijkbare modus van klimaatvariabiliteit in controlesimulaties van vroege generatie-gekoppelde oceaan-atmosfeermodellen (48) leidde tot het idee van de " Atlantic Multidecadal Oscillation” (AMO) – een term die oorspronkelijk door Mann werd bedacht in een interview met Richard Kerr van het tijdschrift Science (49).

Het idee dat een natuurlijke, interne oscillatie met een tijdschaal van meerdere decennia (50 tot 70 jaar) verantwoordelijk zou kunnen zijn voor een reeks klimaattrends, waaronder tropische Atlantische opwarming en toename van Atlantische TC-activiteit, is sindsdien wijdverbreid. Een oeuvre van het afgelopen decennium dat observaties en klimaatmodelsimulaties analyseert, roept echter sterk de vraag op of een dergelijke vorm van interne klimaatvariabiliteit zelfs bestaat (ref. 49 heeft een recensie).

Mann et al. (49) toonde aan dat controlesimulaties van ultramoderne (CMIP5) klimaatmodellen geen consistent bewijs opleveren voor een interne AMO-achtige oscillatie (of een interdecadale "Pacific Decadal Oscillation"). Ze vinden inderdaad dat ze geen ander bewijs van oscillerende variabiliteit vertonen dan het interjaarlijkse ENSO-fenomeen. Een schijnbaar ∼50-y oscillerend signaal in het instrumentele oppervlaktetemperatuurrecord wordt gereproduceerd uit historische klimaatmodelsimulaties en wordt gezien als een artefact van de competitie tussen langdurige broeikasopwarming en de meer recente afname van sulfaataerosolkoeling aan het einde van de twintigste eeuw , in plaats van een natuurlijke klimaatschommeling op lange termijn.

In toenemende mate is de heersende opvatting dat interne variabiliteit op een decadale en langere tijdschaal niet te onderscheiden is van gekleurde ruis (50). Een schijnbare tegenstrijdigheid met die interpretatie is echter het bovengenoemde bewijs van interdecadale en multidecadale spectrale pieken in de analyse van paleoklimaat-proxygegevens van de afgelopen eeuwen (47). Gefocust op het vermeende ∼40- tot 60-y AMO-signaal, Mann et al. (51) toonde onlangs aan dat multidecadale spectrale pieken die duidelijk zijn in analyses van klimaatmodelsimulaties van het afgelopen millennium (CMIP5 Last Millennium-experimenten) een gevolg zijn van de toevallige multidecadale pacing door explosief vulkanisme in de afgelopen eeuwen, wat verklaart waarom deze pieken worden gezien in de ( geforceerd) CMIP5 Last Millennium-simulaties, maar geen controlesimulaties van dezelfde modellen. Ze laten inderdaad zien dat deze spectrale pieken duidelijk zijn in eenvoudige nuldimensionale energiebalansmodellen die worden gedwongen door geschatte vulkanische stralingsforcering uit het verleden (figuur 2). Recent werk van Waite et al. (52) komt tot vergelijkbare conclusies op basis van een vergelijking van sclerosponge-proxygegevens en CMIP5 Last Millennium-simulaties.

Energiebalansmodel (EBM) -simulaties en bijbehorende schattingen van de spectrale vermogensdichtheid (PSD) (van ref. 51). Getoond worden (links) globale gemiddelde oppervlaktetemperatuur anomaliereeksen van 1000 tot 1835 CE en (rechts) overeenkomstige MTM (Multitaper Method) vermogensspectra die zowel zonne- als vulkanische forcering gebruiken (blauw), alleen zonne-energie (groen) en alleen vulkanisch (rood) . De gebruikte forceringen komen overeen met CEA vulkanische reeksen en SBF zonnereeksen (Top), GRA (Gao et al.) vulkanische reeksen en SBF (Steinhilber et al.) zonnereeksen (Midden), en CEA (Crowley en Untermann) vulkanische reeksen en VSK ( Vieira et al.) zonnereeks (onder). [Zie ref. 51 voor volledige details.]

Het best beschikbare bewijs van vandaag pleit dus tegen het bestaan ​​van interne interdecadale en multidecadale klimaatschommelingen, wat twijfel doet rijzen over beweringen dat een AMO-oscillatie verantwoordelijk is voor toename van tropische Atlantische SST of Atlantische orkaanactiviteit en twijfel doet rijzen over de vooruitzichten voor voorspelbaarheid op lange termijn van interne interdecadale en multidecadale klimaatvariabiliteit. Verdere analyse van paleoklimatologische gegevens en directe vergelijkingen met geforceerde modelsimulaties zouden de recente conclusies van Mann et al. verder moeten valideren. (51) met betrekking tot de schijnbare vulkanische oorsprong van AMO-achtige variabiliteit in de afgelopen eeuwen.

Het paleoklimaat speelt een belangrijke rol bij het informeren van beoordelingen van het opwarmende effect van een toename van de broeikasgasconcentraties. Dat effect kan worden gemeten in termen van de tijdelijke klimaatrespons (TCR), gedefinieerd als de opwarming op een bepaald moment wanneer een verdubbeling van de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer (overeenkomend met een stralingsforcering van ongeveer 3,7 W/m2 ) is bereikt. De meeste paleoklimaatstudies richten zich echter op de zogenaamde evenwichtsklimaatgevoeligheid (ECS), de geschatte opwarming die, in evenwicht, resulteert uit diezelfde verdubbeling. Dit is de "Charney"-definitie van klimaatgevoeligheid en houdt rekening met "snelle" terugkoppelingen met betrekking tot wolken, waterdamp, ijs, enz. (een alternatieve gerelateerde grootheid, bekend als aardsysteemgevoeligheid, houdt rekening met langzame terugkoppelingen die verband houden met de dynamiek van de ijskap , langdurige verschuivingen in vegetatiezones, enz.).

Hoewel gedefinieerd in de context van broeikasopwarming, wordt ECS vaak beschouwd als een voldoende universele hoeveelheid die kan worden gemeten aan de hand van de reactie van het klimaat op andere stralingsforcering, inclusief natuurlijke zonne- en vulkanische stralingsforcering (hoewel hier kanttekeningen bij staan) . Het historische record biedt een relatief slechte beperking van schattingen van ECS vanwege de kortheid van het record en het feit dat er meerdere concurrerende en onzekere (met name antropogene aerosol) stralingsforceringen zijn gedurende de duur van het record. ECS-waarden lager dan 1,5 °C of hoger dan 8,5 °C kunnen op basis van deze bewijslijn alleen niet met een redelijke (68%) mate van zekerheid worden uitgesloten (Fig. 3).

Schattingen van ECS uit verschillende bewijslijnen. Aangepast met toestemming van ref. 53.

Het "waarschijnlijke" bereik van ECS, gebaseerd op verschillende lijnen van onafhankelijk (of grotendeels onafhankelijk) bewijs, wordt over het algemeen beschouwd als -1, 5 tot 5 ° C (Fig. 3), met een centrale schatting van 3 ° C. Dergelijk bewijs (53, 54) omvat de overeenstemming van modelsimulaties met de huidige klimatologische gemiddelden, de gemiddelde waarde van ECS zoals rechtstreeks gediagnosticeerd door klimaatmodellen, de reactie van het klimaat op vulkaanuitbarstingen, waarnemingen van het Laatste Glaciale Maximum (LGM), geologische bewijs over miljoenen jaren, oordeel van deskundigen, en last but not least, vergelijkingen van paleoklimaatobservaties en modelsimulaties van het afgelopen millennium.

Het is opmerkelijk dat deze laatste bewijslijn leidt tot de laagste schatting van ECS van allemaal, net boven 2 ° C (Fig. 3), terwijl het gemiddelde van alle bewijslijnen dichter bij 3 ° C ligt. In de meeste onderzoeken van het laatste millennium worden ECS-schattingen doorgaans verkregen door de ECS-waarde te variëren in een simulatie van een energiebalansmodel (waar het een eenvoudig instelbare parameter is) en de waarde te bepalen waarbij de beste match wordt bereikt tussen gesimuleerde en proxy-gereconstrueerde globale of hemisferische gemiddelde temperaturen. De dominante bron van stralingsforcering tijdens de pre-industriële CE is de afkoelingsreactie op vulkanische aërosolbelasting van de stratosfeer gedurende de jaren na een explosieve (meestal tropische) vulkaanuitbarsting. In feite gebruikte een prominente studie (55) alleen gegevens terug tot 1270 CE om de grootste geschatte vulkanische krachtgebeurtenis van het afgelopen millennium (de uitbarsting van 1258 CE) te vermijden, waarbij een dramatische mismatch tussen gegevens en modellen wordt waargenomen. Hoewel de uitbarsting naar schatting aanleiding heeft gegeven tot een stralingsforcering van ongeveer -12 W/m2 (ongeveer vier keer groter dan de Pinatubo-uitbarsting van 1991), wordt er weinig of geen reactie gezien in de temperatuurproxy's van de boomringen, die een significante onderdeel van de meeste proxy-reconstructies van hemisferische en wereldgemiddelde temperatuur. Hoewel dit probleem wordt benadrukt door de discrepantie van 1258 CE, is het niet waarschijnlijk dat het tot dat jaar beperkt blijft.

Mann et al. (56) gebruiken een combinatie van door een model gesimuleerde temperatuur over het afgelopen millennium en een eenvoudige simulatie van boomringreacties om te beargumenteren dat het vertrouwen op boomgrens-proximale boomringlocaties in temperatuurreconstructies leidt tot zowel een onderschattingsbias bij het registreren van zeer grote uitbarstingen (die de geforceerde klimaatreactie van vóór het industriële tijdperk domineren) en chronologische fouten die zich terug in de tijd ophopen. Dit vloeit voort uit het feit dat zeer koude zomers onder de minimale temperatuurdrempel voor groei kunnen liggen - een probleem dat leidt tot een verlies van gevoeligheid voor koeling (gecorreleerd over grote ruimtelijke regio's) en de mogelijke accumulatie van chronologische fouten terug in de tijd (als er geen groei is tijdens een bepaald zomerseizoen, dan wordt er geen ring geregistreerd). Dit effect leidt tot een verzwakking en versmering van de schijnbare respons op zeer grote uitbarstingen die in de tijd toenemen. Die kenmerken worden gereproduceerd door de gesimuleerde boomgroeirespons (56) en ze leiden tot een aanzienlijke vertekening bij het schatten van ECS-waarden, wat resulteert in een geschatte ECS van -2,0 °C wanneer de werkelijke waarde 3,0 °C is (57).

Hoewel boomringonderzoekers sterk bezwaar hebben gemaakt tegen deze conclusies (58), zijn er aanvullende bewijzen die ze ondersteunen, waaronder 1) herbemonsteringsexperimenten die aantonen dat verschuivingen die consistent zijn met de geschatte chronologische fouten in leeftijdsmodellen surrogaten opleveren met grote gelijktijdige reacties op de uitbarstingen van 1258 CE en 1815 CE consistent met de model-gesimuleerde respons (56) en 2) dat een herschikking van specifieke boomringreeksen consistent met het geschatte chronologische foutenbereik een veel grotere en scherpere hemisferische gemiddelde afkoelingsrespons op de 1258 CE oplevert uitbarstingen (59).

Ongeacht de bron van de discrepantie, is het duidelijk dat de mismatch tussen de gereconstrueerde en gemodelleerde vulkanische koeling leidt tot een ECS-onderschattingsbias. Analyse van de CMIP5 Last Millennium gedwongen simulaties, Schurer et al. (60) laten zien dat het simpelweg verwijderen van de weinige grootste vulkanische krachtgebeurtenissen uit model- / gegevensvergelijkingen resulteert in een aanzienlijk grotere afgeleide geforceerde respons van proxy-temperatuurreconstructies die consistent is met modelsimulaties en de gemiddelde CMIP5-model-ECS-waarde van ongeveer 3, 2 ° C. Een andere complicatie is het feit dat vulkanische gebeurtenissen een tijdelijke kortstondige respons op forceren meten die aantoonbaar meer een maatstaf is voor TCR dan ECS, en er zijn aanzienlijke onzekerheden bij het vertalen van TCR naar een equivalente ECS-schatting (61).

Er is hier echter een groter potentieel probleem dat verder gaat dan de kwestie van hoe goed proxygegevens de klimaatverandering in het verleden registreren. Geforceerde klimaatreacties tijdens de CE worden gedomineerd door forceringen (dwz explosieve vulkaanuitbarstingen) die leiden tot aanzienlijke afkoeling ten opzichte van de huidige temperaturen. Dit is relevant omdat ECS geen universele grootheid is. Het gaat om feedbackprocessen die in het algemeen niet hetzelfde zijn voor koude en warme mondiale klimaten. Koude mondiale klimaten hebben bijvoorbeeld meer kans om te worden beïnvloed door reacties van de cryosfeer, zoals door ijsbedekking gerelateerde albedo-veranderingen, terwijl warme mondiale klimaten waarschijnlijker worden beïnvloed door koolstofcyclus-feedbacks gerelateerd aan permafrost-smelt en methaanafgifte of warme klimaatdrempel cloudreacties (62). We zijn nog steeds bezig met een beter begrip van de mogelijke feedbackprocessen die kunnen optreden in broeikasklimaten (63, 64).

Deze asymmetrie zou kunnen betekenen dat ECS-waarden die zijn verkregen uit eerdere "koude klimaat" -reacties niet bijzonder leerzaam zijn als het gaat om toekomstige potentiële broeikasopwarming. Een worstcasescenario zou ons naar CO2-niveaus kunnen brengen die in tientallen miljoenen jaren niet zijn gezien. Heer, we hebben te maken met een "catch 22". Onze meest betrouwbare paleoklimaatbeperkingen omvatten het meer recente verleden (bijv. de CE en de LGM), waar zowel paleodata als relevante forcings het best bekend zijn. Toch leveren beide schattingen van het koude klimaat of ECS op. Om analogen voor de huidige broeikasgasniveaus te vinden, moeten we teruggaan naar ten minste het vroege Plioceen 5 Mya. Om analogen van het "warme klimaat" te vinden voor broeikasgasniveaus van ∼ 1.200 ppm CO2-equivalent, die we tegen het einde van de eeuw zouden kunnen bereiken in een worstcasescenario (dwz geen substantiële vermindering van de koolstofemissie), moeten we teruggaan naar de Vroeg Eoceen, 50 Mya.

Hoewel forcings en respons zo ver terug in de tijd hoogst onzeker zijn, suggereren model-/gegevensvergelijkingsstudies van het vroege paleogeen (65 tot 35 My voor heden) een toestandsafhankelijke ECS die toeneemt met opwarming, beide als gevolg van een toename van snel (dwz , Charney) klimaatfeedback in verband met aanpassingen van cloudeigenschappen en als gevolg van een niet-logaritmische toename van de CO2-opaciteit (63). Shaffer et al. (64) gebruikten schattingen van CO2 en globale temperatuurveranderingen om ECS te schatten, zowel voor als tijdens de Paleoceen/Eoceen Thermal Maximum natural carbon release event ∼56 Mya. Ze schatten dat ECS toenam van 3,3 tot 5,6 °C tot 3,7 tot 6,5 °C. Het vergelijken van deze schattingen met ECS-schattingen uit de LGM en de moderne tijd suggereert een significante toename van ECS met opwarming voor kasklimaten ten opzichte van koudere klimaten.

Sherwood et al. (65) gebruikten een Bayesiaanse statistische benadering om verschillende lijnen van paleoklimaatbewijs te combineren in een poging het huidige onzekerheidsbereik in ECS te verkleinen. Ze produceerden een herzien waarschijnlijk (66% waarschijnlijkheid) "robuust" bereik van 2,3 tot 4,5 °C, verminderd ten opzichte van het canonieke bereik van 1,5 tot 5 °C dat eerder werd aangehaald, en een verder verminderd "zeer waarschijnlijk" (95% waarschijnlijkheid) bereik van 2,0 tot 5,7 °C. De sterkste beperkingen aan de bovenkant van het bereik, in hun analyse, komen van paleoklimaatbewijs uit koude klimaten. Die bevinding lijkt te worden tegengesproken door het hierboven aangehaalde bewijs voor aanzienlijk hogere gevoeligheden uit broeikasklimaten uit het verre verleden. Noch de afkoeling tijdens de grootste vulkaanuitbarstingen van de CE, noch de afkoeling tijdens de LGM kan enige beperking opleveren voor feedbackprocessen die specifiek zijn voor broeikasklimaten. Zelfs de meest geavanceerde statistische analyse kan geen rekening houden met fysieke reacties die buiten het bereik van de geanalyseerde gegevens liggen.

Een onzekerheid bij de evaluatie van het koolstofbudget dat overblijft om kritische opwarmingsdrempels te vermijden, zoals de 2 °C en (ambitieuze) opwarmingslimieten van 1,5 °C die zijn aangenomen door het klimaatakkoord van Parijs, betreft de definitie van de pre-industriële basislijn met betrekking tot de opwarming. Veel studies hebben voor de eenvoud een basislijn uit het einde van de negentiende eeuw (bijv. 1850 tot 1900) aangenomen, aangezien een betrouwbaar record van de wereldwijde oppervlaktetemperatuur pas beschikbaar is vanaf het midden van de negentiende eeuw (66). De verbranding van fossiele brandstoffen en de stijging van de wereldwijde CO2-concentraties begonnen echter in de achttiende eeuw, en modellen voorspellen dat er vóór het midden van de negentiende eeuw enige antropogene opwarming van de aarde had plaatsgevonden (67). Aangezien de opwarming die is geregistreerd door het instrumentele record al -1,2 °C is, heeft zelfs een tiende van een graad Celsius een grote invloed op hoe dicht we bij de drempel van 1,5 °C (of 2 °C) komen en de koolstofbudgetten die nog over zijn voor het vermijden van die drempels.

Gezien de onzekerheden die bestaan ​​in proxy-reconstructies van de wereldgemiddelde temperatuur tijdens de CE (verwijs terug naar figuur 1), bieden deze reconstructies relatief weinig beperking op pre-instrumentele opwarming. Aan de andere kant kunnen simulaties van klimaatmodellen nauwkeurigere schattingen geven van die opwarming. Schurer et al. (67) gebruiken de CMIP5-simulaties van het laatste millennium om te schatten hoeveel antropogene opwarming had plaatsgevonden vóór de late negentiende-eeuwse periode die doorgaans wordt gebruikt om de pre-industriële basislijn te definiëren, waarbij bewijs wordt gevonden voor ergens tussen 0,1 en 0,2 °C extra opwarming, afhankelijk van de precieze pre-industriële tijdsperiode die wordt gebruikt omdat er pre-industriële temperatuurschommelingen op honderdjarige schaal zijn die worden aangedreven door natuurlijke (voornamelijk zonne- en vulkanische) stralingsforcering. Rekening houdend met deze extra pre-instrumentele opwarming, Schurer et al. (67) schat een reductie van maar liefst 40% in het koolstofbudget dat beschikbaar is om 2 °C te vermijden (en zelfs een grotere vermindering van het koolstofbudget voor 1,5 °C). Samen met andere overwegingen, waaronder hoe de temperatuur van de oppervlaktelucht en SST's worden gemengd bij het berekenen van de wereldgemiddelde temperatuur in modellen en waarnemingen en hoe instrumentele en modeltemperatuurreeksen worden samengevoegd (68), vereisen dergelijke technische overwegingen meer precisie in de manier waarop opwarmingsdoelen en koolstofbudgetten worden berekend. gedefinieerd door beleidsmakers en andere belanghebbenden.

De studie van de CE kan informatie verschaffen over veel van de belangrijkste wetenschappelijke vragen die nog bestaan ​​over klimaatdynamiek en klimaatverandering. De grootschalige opwarmingstrend van de afgelopen eeuw wordt gezien als ongekend in millennia (en waarschijnlijk zelfs een langer tijdsbestek), wat de ongekende aard van door de mens veroorzaakte klimaatverandering bevestigt. Relaties uit het verleden tussen natuurlijke zonne- en vulkanische kracht wijzen op mogelijke dynamische reacties op door de mens veroorzaakte opwarming (bijv. regionale reacties gerelateerd aan vormen van variabiliteit, zoals El Niño, de Aziatische zomermoesson en de Atlantische oceaancirculatie op de transportband, die onzeker blijven ). Aangezien deze reacties waarschijnlijk veel belangrijke regionale gevolgen van klimaatverandering zullen beïnvloeden, is het van cruciaal belang om ze beter te begrijpen.

De pre-industriële CE kan ons ook een uitgebreid beeld geven van natuurlijke klimaatvariabiliteit. Analyses van het afgelopen millennium lijken bijvoorbeeld twijfel te zaaien over het bestaan ​​van AMO-achtige interne multidecadale oscillaties die zijn ingeroepen om te pleiten tegen de impact van antropogene klimaatverandering op belangrijke klimaateffecten, zoals de waargenomen toename van Atlantische orkaanactiviteit . Deze analyses suggereren bovendien een beperkt potentieel voor klimaatvoorspelbaarheid op lange termijn door middel van geïnitialiseerde modelvoorspelling die verder gaat dan de seizoensvoorspelbaarheid die door ENSO wordt geboden.

Ten slotte geven studies van de CE informatie over belangrijke beoordelingen van het klimaatbeleid. Deze omvatten de evaluatie van het verhoogde kustrisico door zeespiegelstijging en intensivering van tropische stormen, de schatting van de klimaatgevoeligheid voor toename van broeikasgassen en schattingen van het resterende koolstofbudget om de opwarming onder de kritische planetaire gevarengrenzen van 1,5 en 2,0 °C te houden.

Wat is de weg voorwaarts naar meer zelfverzekerde inzichten? Het is een Truism dat betere modellen, meer paleoklimaat proxy-gegevens van hogere kwaliteit en zorgvuldigere vergelijkingen van de twee meer betrouwbare gevolgtrekkingen kunnen opleveren. Het is echter nuttig om preciezer te zijn dan dat. Het is duidelijk dat, zoals we hebben gezien, vulkanische forcering een cruciale rol speelt bij gedwongen klimaatverandering tijdens de CE, en toch blijven de schattingen van de forcering zeer variabel (69). Pogingen om die onzekerheid te verminderen zouden duidelijk vruchten afwerpen, maar dat geldt ook voor inspanningen om de beschikbare netwerken van proxy met hoge resolutie uit te breiden en te diversifiëren, gezien de mogelijke vooroordelen en beperkingen in datering, interpretatie en gevoeligheid van klimaatsignalen die specifiek zijn voor individuele proxytypen zoals zoals boomringen, koralen en ijskernen.

Even belangrijk zijn echter de huidige beperkingen in klimaatmodellen die worden gebruikt in experimenten van het laatste millennium (bijv. CMIP5 en nu CMIP6). Zoals we hebben gezien, speelt ENSO-gerelateerde dynamiek een bijzonder belangrijke rol bij regionale klimaatreacties. Toch is er reden om aan te nemen dat de meeste klimaatmodellen van de huidige generatie niet de juiste reactie van die dynamiek op forceren vertonen. Bovendien, zoals eerder opgemerkt, vereisen potentieel belangrijke AO / NAO-reacties op zonneforcering interactieve ozonfotochemie, die niet is opgenomen in de meeste modelsimulaties, inclusief de CMIP5 Last Millennium-simulaties (16).

Natuurlijk leiden beperkingen in de huidige generatie klimaatmodellen niet alleen tot onzekerheden in geforceerde reacties, maar ook tot intern gegenereerde variabiliteit. De mogelijkheid kan bijvoorbeeld niet worden uitgesloten dat de afwezigheid van AMO-achtige klimaatoscillaties in de huidige generatie gekoppelde modellen (35, 37), in plaats van de afwezigheid van dergelijke oscillaties in de echte wereld aan te geven, een beperking weerspiegelt in de representatie van oceanische grensstromen, gyre en kantelende circulaties, en / of oppervlakte oceaan-atmosfeer koppeling.

Een bijzonder veelbelovend pad voorwaarts combineert de meerdere informatiebronnen die we hebben - paleoklimaatproxygegevens, modellen en geforceerde schattingen - in de vorm van gegevensassimilatie-experimenten. Deze experimenten kunnen worden gebruikt om de belangrijkste parameters van het klimaatsysteem beter in te perken (70). Vaker worden ze gebruikt om proxygegevens en modelsimulaties samen te voegen bij het reconstrueren van vroegere klimaatvelden (71⇓ ⇓ ⇓ –75).

Eerdere pogingen tot assimilatie van proxygegevens probeerden de rekenvraag te verminderen door gebruik te maken van "deeltjesfilter" -benaderingen voor assimilatie met klimaatmodellen van gemiddelde complexiteit (71, 72). Meer recente inspanningen zoals het Last Millennium-heranalyseproject (73⇓ –75) hebben gebruik gemaakt van gedwongen gekoppelde modelintegraties op lange termijn (CMIP5 Last Millennium-experimenten). Zoals altijd moet echter rekening worden gehouden met kanttekeningen en beperkingen. Het eindproduct is niet beter dan de modellen, gegevens en forceringen die erin gaan, en de eerder besproken beperkingen in elk moeten in gedachten worden gehouden.

Bij data-assimilatie wordt de klimaatfysica van het model in wezen gebruikt om ontbrekende informatie in te vullen, een vorm van ‘slimme interpolatie’ die complete klimaatvelden oplevert. De nauwkeurigheid van deze gereconstrueerde velden wordt echter beperkt door het vermogen van de modellen om echte oceaan- en atmosferische circulatiepatronen te reproduceren. Wanneer de patronen in de proxygegevens niet passen bij de patronen die door de modellen worden geproduceerd, vertegenwoordigt het assimilatieproduct een onvolmaakt compromis tussen de tegenstrijdige informatiebronnen (70), waardoor echte klimaatkenmerken worden uitgesmeerd en vervormd. Een specifieke bron van zorg is het eerder besproken feit dat de huidige klimaatmodellen tijdens het historische tijdperk geen SST-gradiënten in de tropische Stille Oceaan lijken te reproduceren en niet overeenkomen met langetermijntrends in die gradiënten die zijn afgeleid van paleoklimaatgegevens. Het is onwaarschijnlijk dat gegevensassimilatie dergelijke fundamentele discrepanties zal oplossen en kan eenvoudigweg verdoezelen wat er feitelijk gebeurt.

Er zijn natuurlijk de beperkingen in de onderliggende proxygegevens zelf en hoe ze in de modellen worden opgenomen. Eerdere studies hebben (70⇓ ⇓ ⇓ -74) veronderstelde eenvoudige lineaire relaties tussen proxygegevens en de modelvariabelen (temperatuur, in het algemeen neerslag, opwelling, enz.) die ze zouden vertegenwoordigen. Zoals eerder besproken, zijn er echter open vragen over boomringen en hun vermogen om de grootste vulkanische afkoelingsgebeurtenissen vast te leggen; complicaties in boomringen, koralen en ijskernen door gemengde neerslag- en temperatuursignalen; en het probleem van drempelresponslimieten van klimaatproxy's. Dergelijke complicaties kunnen in principe worden verklaard door het gebruik van niet-lineaire regressiemethoden zoals neurale netten of het gebruik van voorwaartse modellen die de proxygegevens verbinden met de doelmodelvariabelen die niet-lineariteiten en drempelresponslimieten verklaren. Een bijzonder aantrekkelijk vooruitzicht is de beschikbaarheid van interactieve tools waarmee gebruikers een diagnose kunnen stellen van de impact van het toevoegen van een bepaald proxyrecord of een bepaalde reeks proxyrecords aan het gegevensassimilatieproduct, voortbouwend op eerdere pogingen om proxy-samplingstrategieën te onderzoeken (76, 77).

Hoe belangrijk paleoklimaat ook is om vandaag de dag fundamentele vragen te beantwoorden met betrekking tot klimaatwetenschap, klimaateffecten en klimaatbeleid, we moeten ervoor zorgen dat we niet te veel beloven wat het kan bieden, met name wanneer bevindingen mogelijk kunnen worden gebruikt bij het opstellen van klimaatbeleid. Neem bijvoorbeeld de eerdere bespreking van ECS. Hoewel paleoklimaatgegevens solide beperkingen kunnen opleveren voor de "lage kant" van het ECS-spectrum, is er reden om sceptisch te zijn over pogingen om de bovenkant van het spectrum te verkleinen, voornamelijk op basis van koude klimaatbeperkingen, vooral wanneer het werk specifiek gericht was op eerdere broeikasklimaten suggereert aanzienlijk hogere klimaatgevoeligheden. Wat wellicht relevanter is voor de verwachte toekomstige klimaatverandering, is het warme klimaat, de tijdelijke respons (TCR) op toenemende broeikasgasconcentraties.

Verder moeten we echte discrepanties tussen modellen en proxy-observaties niet "onder het tapijt" vegen. We moeten bijvoorbeeld niet (78) systematische onderschattingen van gereconstrueerde reacties op forcering afdoen als eenvoudig een artefact van veronderstelde fouten in de modellen of de forcerende schattingen. Er is goede reden om mogelijke systematische vooroordelen en beperkingen in de onderliggende proxygegevens zelf te vermoeden.

Het is belangrijk om de mogelijke beperkingen van paleoklimaatstudies te erkennen bij het beantwoorden van enkele openstaande vragen. Er is geen schande in de paleoklimaatonderzoeksgemeenschap die erkent dat paleoklimaatstudies niet alle openstaande vragen met betrekking tot klimaatdynamiek, klimaatvariabiliteit en klimaatverandering kunnen beantwoorden. Paleoklimaatgegevens moeten in plaats daarvan worden gezien als een zeer waardevolle informatiebron die, in combinatie met andere bronnen, een vollediger begrip en waardering van het klimaatsysteem kan opleveren. Constructieve feedback van andere sectoren van de klimaatonderzoeksgemeenschap moet te goeder trouw worden genomen en als cruciaal worden erkend voor voortdurende vooruitgang op dit gebied. Twee decennia nadat mijn co-auteurs en ik de hockeystickcurve hebben gepubliceerd, kijk ik ernaar uit om die verdere vooruitgang te observeren en eraan deel te nemen.

Er zijn geen gegevens die aan dit werk ten grondslag liggen.

Het werk van MEM en medewerkers dat in dit artikel wordt beschreven, werd ondersteund door een reeks eerdere en huidige subsidies van het NSF-paleoklimaatprogramma van de afgelopen twee decennia: subsidies 1748097, 1446329, 0902133 en 0542356. Ik dank zowel M. Huber als D. Shindell voor hun grondige en constructieve beoordelingen.

Deze bijdrage maakt deel uit van de speciale serie Inaugurele Artikelen van in 2020 gekozen leden van de National Academy of Sciences.

Auteursbijdragen: MEM analyseerde gegevens en schreef het artikel.

Recensenten: MH, Purdue University; DTS, Duke University.

De auteur verklaart geen tegenstrijdig belang.

Dit open access-artikel wordt verspreid onder Creative Commons Attribution License 4.0 (CC BY).

Bedankt voor uw interesse in het verspreiden van het woord over PNAS.

OPMERKING: we vragen alleen om uw e-mailadres zodat de persoon aan wie u de pagina aanbeveelt, weet dat u deze wilt zien en dat het geen ongewenste e-mail is. We leggen geen e-mailadres vast.

Feedback Privacy/Juridisch

Copyright © 2021 Nationale Academie van Wetenschappen. Online ISSN 1091-6490. PNAS is partner van CHORUS, COPE, CrossRef, ORCID en Research4Life.