Климат как слоёный пирог: сколько тепла добавляет человек, а сколько — океан
Контекст
Вопрос о том, насколько сильно естественные колебания климатической системы маскируют или усиливают антропогенное потепление, остаётся одним из самых острых в современной климатологии. Наблюдаемый с XIX века рост глобальной приповерхностной температуры включает периоды ускорения и замедления, в том числе так называемую «паузу» в глобальном потеплении начала XXI века. Рядом с этой работой в архиве лежат исследования, которые пытаются отделить погодный шум от климатического сигнала, оценить память ледяных щитов и разобраться в климатических качелях древнего Марса. Данная статья стоит несколько особняком: она не строит сложную модель общей циркуляции, а извлекает количественные оценки вкладов прямо из эмпирических данных с помощью минималистичной стохастической модели. Такой подход позволяет избежать априорных предположений о параметризациях и получить статистически надёжные оценки одновременного вклада нескольких факторов в температурные тренды на разных широтах.
Методы
Авторы использовали простейшую трёхмерную авторегрессионную модель первого порядка, в которой аномалия температуры в данном году зависит от её значения в предыдущем году, от текущего радиационного воздействия парниковых газов и от индекса одной из естественных мод изменчивости (АМО, ЭНСО, ТДО, ТПО или ААО). Модель подгонялась под данные наблюдений с 1880 по 2012 год методом наименьших квадратов. Чтобы оценить вклад каждого фактора в тренд, авторы «выключали» этот фактор, заменяя его наблюдаемый временной ряд искусственно сгенерированным (например, удерживали воздействие парниковых газов на уровне 1880 года), и сравнивали тренд модельной температуры с фактическим. Разница трендов и давала искомый вклад. Такой приём аналогичен тому, как если бы мы спросили: «Насколько изменился бы наклон температурной кривой, если бы океан вёл себя иначе?» Для проверки устойчивости результатов использовались также модели с большими временными лагами (до 30 лет) и более высокими порядками авторегрессии (до пяти); выводы о максимальных значениях вкладов оказались схожими.
Результаты
На интервалах длиной 20–30 лет вклады естественных мод изменчивости могут достигать ±0,2 К за десятилетие и быть сопоставимыми с вкладом парниковых газов, а иногда и превышать его. Самые большие вклады отмечены в арктических широтах, где они достигают 0,2 К за десятилетие и более. На интервалах от полувека и длиннее вклад парниковых газов доминирует на всех широтах: отношение вклада парниковых газов к полному тренду превышает 0,5 для всех широтных зон, кроме коротких окон в 20–30 лет во внетропических широтах. В последние два десятилетия вклад парниковых газов достигает 0,2 К за десятилетие и даже несколько превышает эту величину. Среди естественных мод наиболее заметный вклад в Северном полушарии даёт Атлантическая мультидекадная осцилляция (АМО): на 20-летних интервалах её относительный вклад достигает 0,5 в средних и полярных широтах. В Южном полушарии заметен вклад Антарктической осцилляции (ААО) на масштабах 20–30 лет, хотя его статистическая значимость невелика. Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНСО) вносит существенный вклад не только в тропиках, но и в полярных широтах, причём в Антарктике знак связи противоположен остальным широтам.
Значение
Работа отличается от соседних исследований тем, что оценивает вклады факторов в тренды температуры не через дорогостоящие ансамблевые расчёты моделей общей циркуляции, а через простую эмпирическую модель, параметры которой полностью определяются данными наблюдений. Это даёт статистически более надёжные оценки одновременного вклада нескольких факторов и позволяет обойти проблему неполной адекватности больших моделей. Полученные количественные оценки важны для объяснения региональных различий современных трендов, в частности для понимания того, почему в последние десятилетия площадь антарктического морского льда росла, тогда как арктический лёд быстро сокращался. Работа также подчёркивает, что естественная изменчивость с периодами до нескольких десятилетий может существенно маскировать или усиливать антропогенный сигнал на коротких временных горизонтах, что необходимо учитывать при интерпретации краткосрочных климатических тенденций и при проверке климатических моделей.
Развитие
Предложенный подход можно расширить, включив в модель одновременно несколько естественных мод изменчивости, а также нелинейные взаимодействия между ними и антропогенным фактором. Перспективно также применение более сложных эмпирических моделей с переменными коэффициентами, которые могли бы уловить изменение чувствительности климата со временем. Другое направление — использование более длинных рядов палеоклиматических реконструкций для проверки того, насколько устойчивы полученные оценки вкладов на масштабах столетий. Важно также провести аналогичный анализ для других климатических переменных, таких как осадки или давление на уровне моря, чтобы понять, как естественная изменчивость модулирует региональные тренды не только температуры, но и гидрологического цикла.
Влияние
Результаты полезны для специалистов по обнаружению и атрибуции изменений климата, так как дают независимые от моделей общей циркуляции количественные ориентиры для вкладов естественных мод в температурные тренды. Они также важны для разработчиков климатических моделей, которым необходимо адекватно воспроизводить естественную изменчивость, чтобы правильно проектировать региональные изменения климата.
Следующие шаги
Ближайший шаг — провести аналогичные оценки с использованием более новых версий данных о температуре и индексах изменчивости, а также расширить набор естественных мод, включив, например, Североатлантическое колебание. Стоит также проверить, насколько выводы устойчивы к выбору конкретного индекса для каждой моды и к способу фильтрации данных.
Ключевые проблемы
Работа напрямую связана с фундаментальной проблемой разделения антропогенного сигнала и естественной внутренней изменчивости климатической системы. Она показывает, что на масштабах в несколько десятилетий естественные колебания могут полностью маскировать антропогенный тренд, что создаёт трудности для обнаружения и атрибуции изменений климата. Кроме того, результаты подчёркивают необходимость более точного моделирования естественных мод изменчивости в климатических моделях, поскольку их неадекватное воспроизведение может приводить к систематическим ошибкам в проекциях регионального климата.
Самый большой вклад естественных колебаний в температурные тренды обнаружен в Арктике — до 0,2 К за десятилетие, что сопоставимо с вкладом парниковых газов на коротких интервалах. При этом в Антарктике связь температуры с Эль-Ниньо имеет противоположный знак по сравнению с другими широтами: когда в тропиках Тихого океана теплеет, в Антарктике холодает.
Ключевые числа
- максимальный вклад естественных мод: ±0,2 К за десятилетие
- вклад парниковых газов в последние два десятилетия: 0,2 К за десятилетие
- порог доминирования парниковых газов: около 50 лет
- период наблюдений: 1880–2012 гг.
- характерное время релаксации средних широт Южного полушария: около 5 лет