Bayesiansk skattning av klimatkänsligheten

En av de viktigaste storheterna när det gäller att bedöma storleken på kommande klimatförändringar är den så kallade klimatkänsligheten - den ökning i global jämviktsmedeltemperatur som en fördubbling av atmosfärens CO₂-halt svarar mot. Osäkerheten vad gäller dess värde är emellertid stor. IPCC:s AR4-rapport, som kom 2007, angav ett trolighetsintervall om 2°C till 4,5°C, vilket, till följd av ett antal forskningsrapporter som pekade mot att klimatkänsligheten skulle kunna vara något lägre, breddades till intervallet 1,5°C till 4,5°C i deras AR5-rapport från 2014.

Det finns en rad olika sätt att uppskatta klimatkänsligheten, baserat på många olika slags data på olika tidsskalor. Som jag framhöll i ett blogginlägg för ett par år sedan så är det viktigt att inte snöa in sig på enbart en eller ett par studier; istället bör man försöka se till den vetenskapliga helhet som bildas av de många studier som gjorts på området.¹ Jag har nu glädjen att berätta att jag själv varit med på ett hörn i arbetet med att uppskatta klimatkänsligheten, genom min medverkan i den nya studien Equilibrium climate sensitivity in light of observations over the warming hiatus av Daniel Johansson, Brian O’Neill, Claudia Tebaldi och yours truly, publicerad häromdagen i tidskriften Nature Climate Change. Här använder vi oss av så kallad bayesiansk statistik² för att få fram en uppskattning baserad på instrumentdata, mestadels från 1900-talet och framåt. Våra resultat är inte alls särskilt sensationella: 90% av sannolikhetsmassan i vår a posteriorifördelning för klimatkänsligheten landar i intervallet 2°C till 3,2°C, vilket ligger klart inom ramen för IPCC:s sammanfattande bedömningar. Vi har också tittat närmare på hur uppskattningen varierar beroende på vilket slutdatum man sätter för instrumentdata, för att på så vis försöka förstå vad den inbromsning i uppvärmningstakt som under och åren kring 00-talet kunnat skönjas har för effekt på klimatkänslighetsuppskattningen. Vi finner en viss men ganska liten sådan effekt, men vår studie pekar mot att den observerade inbromsningen har mer att göra med klimatsystemets interna variabilitet (manifesterad i bland annat väderfenomenet El Niño) än med att klimatkänsligheten skulle vara lägre än man tidigare trott.

Se även Chalmers färska nyhetsmeddelande om saken: Studie från Chalmers bekräftar värde för klimatkänslighet.

Fotnoter

1) Vilket är precis vad IPCC gör när de bildar sina trolighetsintervall.

2) Möjligen kan detta att jag arbetar med bayesianska metoder förvåna en och annan läsare som tagit del av mitt försvar på senare tid av frekventistiska begrepp som p-värde och statistisk signifikans. Jag kallades nyligen "NHST-statistiker" (där NHST står för null hypothesis significance testing) av en tjomme som förstår väldigt lite av statistikens teori och praktik men har desto högljuddare åsikter, men den beteckningen är ett missförstånd: jag har en pragmatisk inställning till statistikens olika metoder, och bekänner mig inte till någon särskild ideologi rörande vilka som går an att använda (annat än att de bör vara korrekta), utan inser att statistiska problem är av många olika slag och därför kräver delvis olika statistiska verktygslådor.

Hur okunnig och korkad kan en professor i vetenskapsfilosofi bli?

Hur vetenskapligt okunnig och rent ut sagt korkad kan en professor i vetenskapsfilosofi tillåta sig att bli? Närmast bottenlöst, verkar det som, och som vanligt ligger professor Ingemar Nordin vid Linköpings universitet (LiU) nära till hands som ett illustrerande exempel.¹ Redan 2011 återgav jag här på bloggen delar av ett i sammanhanget slående meningsutbyte om ozonhålet, hämtat från den ökända klimatförnekarbloggen The Climate Scam, som numera är omdöpt till det orwellskt klingande Klimatupplysningen, och på vilken Nordin är en av de regelbundet återkommande skribenterna:

En liknande nivå håller Nordin då han går vidare från sitt klimatförnekeri till att ifrågasätta mänsklig påverkan på ozonskiktet. I en bloggpost från förra månaden rapporterar han triumferande att någon minskning av ozonhålet över Antarktis inte kunnat konstateras sedan undertecknandet 1987 av Montrealprotokollet rörande utsläpp av ozonnedbrytande ämnen. Som signaturen Thomas (en av ytterst få ljuspunkter på The Climate Scam) påpekar så "är det inte konstigt med långlivade kemikalier som kan finnas kvar i atmosfären långt efter det att vi minskat utsläppen". Nordin svarar att "det är möjligt. Men när nödvändigheten av Montrealprotokollet diskuterades så var det ingen som sa att det skulle dröja 50 år eller så innan man skulle märka någon skillnad". Inför Thomas förklaring att "hade det inte varit för stoppet så hade CFC-halterna fortsätt stiga i atmosfären och situationen fortsatt bli värre" har Nordin inget att tillägga.

Vi ser här hur Ingemar Nordin, på typiskt maner, låter allt intresse för att bekanta sig med sakförhållanden, och alla sina förståndsgåvor,² flyga all världens väg, till förmån för det oreflekterade bjäbbandet, så snart det av allt att döma förhatligaste han vet kommer på tal, nämligen idén att mänsklig aktivitet kan ha skadlig miljö- och klimatpåverkan och att det kan vara möjligt att göra något åt sådan miljöförstöring. Igår kunde vi på samma blogg (den s.k. Klimatupplysningen) ta del av nedanstående från Ingemar Nordins sida nästan ännu mer hjärndöda meningsutbyte [WebCite] med två för mig obekanta herrar vid namn Peter F och Sigge. Den mesta av dårskapen finns koncentrerad i Nordins första kommentar (resten är mest en demonstration av hans åsnelikt envisa vägran att ta emot pedagogiska påpekanden om hur han tänkt fel), där han gör ett bisarrt dubbelfel. För det första rör han ihop årligt CO2-utsläpp med ackumulerad CO2-mängd i atmosfären, och konkluderar hårresande felaktigt att i och med att den första kvantiteten inte ökat från 2013 till 2014 så kan inte den andra ha gjort det. För det andra använder han sin (felaktiga) konklusion om att 2014 inte gav något nytt CO2-rekord utan blott tangerade 2013 års nivå till att - hör och häpna - lyfta fram 2014 års rekordnivå på global medeltemperatur som ett argument emot(!!!) koldioxidens uppvärmande verkan. Det hela är så dumt att jag nästan har svårt att ta till mig att det är författat av en professorskollega.

Peter F: Men så bra då. Nu kan alla AGWare lägga ner verksamheten och börja syssla med nåt vettigare.

http://www.dn.se/goda-nyheter/varldens-koldioxidutslapp-okar-inte/

Sigge: Att koldioxidutsläppen inte ökar trots stor ekonomisk tillväxt beror väl mycket på AGW-larmen.

Förra året ökade elproduktionen från vindkraft med ungefär 100 TWh och från vattenkraft med ungefär lika mycket. Hade det varit 200 TWh kolkraft istället så hade koldioxidutsläppen varit ungefär 0,2 mdr ton större.

Ingemar Nordin: Hmmm, har jag förstått det här rätt: 2014 var alltså enligt vissa källor det varmaste året. Och samtidigt så har CO2-produktiionen stått still.

Kan det finnas något samband tro? :-D

Sigge: Nej, Du har inte fattat rätt! Förra året släpptes det ut 32,3 mdr ton CO2 i atmosfären vilket gör att CO2-halten i atmosfären fortsatte att öka.

Ingemar Nordin: ??? Nu blev det ännu konstigare. Så du menar att CO2-halten ökade tack vare att människan inte ökade sin CO2-produktion?

Sigge: För att inte förvirra saken ytterligare så gäller det att inte blanda ihop begreppen.

Du skrev i ditt inlägg #115 att CO2-produktionen stått still. Det är ju inte sant för när en produktion står stilla så producerar den 0. Nu var produktionstakten konstant jämfört med året innan.

Om CO2-produktionen fortsättningsvis kommer att vara på runt 32 mdr ton/år så kommer CO2-halten i atmosfären att öka tills ett jämviktsläge nås. Om det jämviktsläget är 420, 450, 500 ppm eller rentav ännu högre har jag ingen kunskap om.

Ingemar Nordin: Jomen nu var det inte jämvikten som står i fokus här utan CO2-halten. Om mänskligheten inte tillskjuter mer CO2 till atmosfären än året före dess så borde halten vara konstant. Men du säger att den borde öka. Hur då? Varifrån kommer de extra tonnen i år med CO2 som inte fanns där året innan?

Sigge: Det tillfördes 32 mdr ton koldioxid förra året från fossila bränslen. Vi har ungefär 400 ppm CO2 i atmosfären nu. Vid den CO2-halten förbrukar naturen mer CO2 än vad den producerar men skillnaden är mindre än 32 mdr ton som är de antropogena utsläppen. Om jag tog lite tid på mig att räkna skulle jag kunna räkna ut hur mycket mer CO2 naturen tar upp än som produceras vid den CO2-halt vi har nu. Att däremot räkna ut jamviktsläget är svårare, för att det påverkas av parametrar som jag är dåligt insatt i hur de storleksmässigt påverkas av klimatförändringarna. Om fossila CO2-tillskottet i atmosfären ligger stabilt under ett antal år så kanske det kommer att märkas om några år att ökningen av CO2-halten går långsammare.

Ingemar Nordin: Synd att du inte räknat ut hur mycket mer CO2 naturen producerar så att halten ökar trots att människan inte tillför mer.

Man baxnar. Men dystert nog är detta blott alltför representativt för Nordins insatser i klimatdebatten, och det faktum att den svenska klimatförnekarrörelsen gjort honom till en av frontfigurerna säger en hel del om deras allmänna intellektuella nivå.

Fotnoter

1) Odret "vetenskapsfilosofi" verkar visserligen inte ingå i Nordins officiella tjänstebenämning, men på Wikipedia uppges han vara professor i filosofi, och på hans LiU-hemsida är "philosophy of science" de första tre ord som nämns när hans forskningsintressen räknas upp.

2) Vi får anta att han trots allt besitter vissa sådana, då han ju ändå är professor i filosofi.

400 ppm

Media har rapporterat flitigt om saken det senaste dygnet.¹ Att den atmosfäriska koldioxidhalten skulle komma att överskrida 400 ppm-nivån² visste vi redan - den enda osäkerheten handlade om exakt när det skulle ske. Det blev i torsdags som dygnsmedelvärdet av den uppmätta koldioxidhalten vid Mauna Loa på Hawaii första gången överskred 400 ppm, och amerikanska NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) rapporterade om saken igår fredag. Någon nyhet i egentlig mening handlar det alltså inte om, speciellt som det inte är något magiskt med nivån 400 ppm jämfört med t.ex. 392 ppm eller 415.29 ppm, men saken har ändå ett visst symbolvärde, varför jag väljer att haka på mediarapporteringen. Här är ett diagram över de uppmätta nivåerna på Mauna Loa sedan mätningarna startade 1958:

Notera den årliga sinusliknande variationen (orsakad av asymmetrin mellan norra och södra halvklotet i mängden växtlighet, vilken upptar koldioxid på sommaren och avger på vintern) som ligger överlagrad den långsiktiga ökningen. Notera också att medan ökningen i början låg kring 0,7 ppm/år har den det senaste decenniet snittat omkring det tredubbla. Det här ser inte lovande ut. Det kanske allra intressantaste perspektivet fås då vi kombinerar Mauna Loa-mätningarna med rekonstruktioner av tidigare CO₂-nivåer:

Vi ser alltså att vi det senaste halvseklet lämnat alla de nivåer som förekommit under de föregående 800 000 åren långt bakom oss. För att hitta koldioxidnivåer liknande dagens behöver vi backa minst ett par miljoner år. Vi vet att höga koldioxidnivåer tenderar att (via växthuseffekten) ge upphov till höga globala medeltemperaturer,³ vilka vi vet i sin tur tenderar att (via smältning av inlandsisar) ge upphov till havsytehöjning. Ytterligare perspektiv ger det faktum att CO₂-ökningen i diagrammet ovan från senaste istidsmaximum för cirka 20 000 år sedan fram till industrialismens början på 1800-talet åtföljts av cirka 120 meters havsytehöjning. Så mycket kan vi inte drabbas av idag, eftersom Antarktis och Grönlands ismassor tillsammans inte räcker till mer än 60 till 70 meters havsytehöjning. Vidare går nedsmältningen långsamt och kan komma att ta uppåt årtusenden, även om vår kunskap på denna punkt är behäftad med stora osäkerheter. Hur det än står till med den saken står det klart att vi med våra hämningslösa koldioxidutsläpp skickat iväg klimatsystemet mot tillstånd där den relativa stabilitet i klimatet som mänskligheten upplevt (och frodats i) de senaste 10 000 åren är i stor fara. Att föröska lägga om kursen är nog en god idé.

Fotnoter

1) Se även Lars Karlssons korta rapport (vars rubrik jag stulit) på Uppsalainitiativet.

2) Förkortningen ppm uttyds parts per million, miljondelar.

3) För mer om sambandet mellan koldioxid och temperatur under istidscyklerna, se mitt gamla Uppsalainitiativet-inlägg Om istider, klimatförändringar och återkopplingar.

Hur stark är koldioxidens klimatpåverkan?

De senaste veckorna har på nytt en debatt om klimatvetenskapen blossat upp i svenska media.¹ Jämfört med hur det såg ut för några år sedan, då skamlösa irrpropagandister som Lars Bern, Jonny Fagerström och hela raddan av Stockholmsinitiativsgubbar bredde ut sig i spalterna (samtidigt som jag och mina vänner i Uppsalainitiativet hade fullt upp att bemöta de värsta dumheterna), så har den aktuella debatten tagit några rejäla kliv framåt. Numera ser man sällan (annat än på konspirationsteoretiskt anstrukna dårbloggar) de rena stolligheterna, såsom förnekandet av vår kunskap om att en global uppvärmning pågår och att vår fossilbränsleförbränning är en huvudorsak.

Den nu aktuella debatten har en helt annan, och ojämförligt mer vederhäftig, karaktär. Den inleddes med en artikel på DN Debatt den 21/1 av fyra svenska klimatforskare och KVA-ledamöter med Lennart Bengtsson i spetsen, vilket följdes av svar från Christian Azar den 22/1 och från en grupp lundensiska klimatforskare (inklusive Uppsalainitiativets Marianne Hall) anförda av Markku Rummukainen den 25/1, och slutligen en replik från Bengtsson et al den 28/1. Som Lars Karlsson konstaterar i sin sammanfattning på Uppsalainitiativet så är

samtliga debatterande [...] överens om att våra utsläpp av växthusgaser har en påtaglig påverkan på klimatet. Frågan är alltså inte om, utan hur mycket - 2 grader, 3 grader, 4 grader? Och man är överrens om att något behöver göras.

[...]

Debatten befinner sig alltså långt ifrån var klimatförvillarna skulle önska att vi tror. Den handlar inte om huruvida växthusgaserna har någon betydande klimatpåverkan. Den handlar inte om huruvida det finns någon positiv återkoppling. Den handlar inte om huruvida det är mänskliga eller naturliga orsaker som ligger bakom den nutida uppvärmningen. Den handlar inte om huruvida det är koldioxiden som styr temperaturen eller temperaturen som styr koldioxiden. Och den handlar inte om huruvida det över huvud taget existerar något problem.

Samtliga debattörer synes överens om det mesta, inklusive att IPCC:s senaste sammanfattning (från 2007) av det vetenskapliga läget är en lämplig utgångspunkt för publik diskussion i ämnet. Vad som framför allt väckt debatt är Bengtssons et al påstående att

en temperaturökning med så mycket som 4°C under detta århundrade är mycket osannolik.

Detta går på tvärs mot IPCC-rapporten, där sagda ökning visserligen tillhör de högre av ett spektrum av olika allvaliga temperaturscenarier, men alls icke döms ut som "mycket osannolik". Såväl Azar som Markku Rummukainen et al kritiserar Bengtsson et al på denna punkt, och förordar en bedömning mer i linje med IPCC:s.

För att förstå denna diskussion behöver vi känna till begreppet klimatkänslighet. Denna definieras som den ökning i global jämviktsmedeltemperatur som en fördubbling av atmosfärens CO₂-halt svarar mot.² Detta är den viktigaste kvantiteten när det gäller att på lång sikt (flera decennier eller mer) förutsäga klimatet.³ Ju större klimatkänslighet, desto större temperaturökning kan vi befara. Dessvärre har det visat sig vara mycket svårt att i en enskild studie slå fast värdet på klimatkänsligheten med någon god precision alls. Till och med om vi tar i beaktande alla de olika studier som finns, så ser sig IPCC nödsakat att nöja sig med ett tämligen brett trolighetsintervall om 2°C till 4,5°C. I DN-repliken förklarar Bengtsson et al grunden för deras kontroversiella påstående ovan, nämligen att "flera studier under senare år pekar mot en mindre klimatkänslighet än vad som antogs i IPCC-rapporten från 2007".⁴ Innan vi rusar åstad och reviderar vårt trolighetsintervall i ljuset av sådana studier bör vi emellertid först betrakta den ljusa sidan av kunskapsläget, nämligen att det är baserat på många olika slags studier (vilka i sin tur är baserade på olika slags klimatdata), varav många ger hyggligt samstämmiga resultat; se IPCC för en utförlig redogörelse, eller nedanstående figur för en kort sammanfattning.

Bild och bildtext från Skeptical Science: Distributions and ranges for climate sensitivity from different lines of evidence. The circle indicates the most likely value. The thin colored bars indicate very likely value (more than 90% probability). The thicker colored bars indicate likely values (more than 66% probability). Dashed lines indicate no robust constraint on an upper bound. The IPCC likely range (2 to 4.5°C) is indicated by the vertical light blue bar.

En viktig lärdomen av detta är en eller ett par nya studier av klimatkänsligheten knappast räcker för att radikalt rubba kunskapsläget i frågan, ty även med de nya studierna behöver vi ju alltjämt väga in vad de gamla pekar på. Att på detta vis gå för snabbt fram med att revidera sin uppfattning är tillräckligt vanligt för att (på den ypperliga klimatbloggen Skeptical Science från vilken ovanstående bild är hämtad) nyligen ha fått ett eget namn, nämligen Climate Sensitivity Single Study Syndrome. Det är svårt att från Bengtssons et al (knapphändiga) argumentation komma fram till annat än att de varit lite för heta på gröten och fallit offer för detta syndrom. (Av svaren från Azar och från Rummukainen et al får jag en känsla av att de skulle hålla med mig om detta, åtminstone om de fick linda in det i ett lager av diplomatisk fetvadd.)

Samtidigt som Bengtsson, Azar, Rummukainen och deras medförfattare debatterade i DN slog såväl DN som SvD upp braskande rubriker om att en ny norsk studie visar att klimatkänsligheten är lägre än tidigare beräknat. Nyheten härrör från ett pressmeddelande som dels utgör ett klockrent fall av Climate Sensitivity Single Study-syndromet, och dessutom verkar ha släppts för tidigt innan de anförda resultaten blivit vederbörligt granskade och publicerade i den vetenskapliga litteraturen. Jens Ergon på SVT:s vetenskapsredaktion har gjort en bra sammanfattning av denna "Norgehistoria".⁵ En ännu bättre sammanfattning ger Markku Rummukainen och Marianne Hall, som avslutar sin text på Lunds universitets klimatprotal med att man

för det första kan [...] konstatera att om det visade sig att klimatkänsligheten snarare är låg än hög, är det goda nyheter. Klimatfrågan skulle inte bli bortblåst, men möjligheten att begränsa den globala uppvärmningen med till exempelvis maximalt två grader skulle öka. För att detta skall hålla långsiktigt, om den norska studien har rätt, bör atmosfärens koldioxidhalt inte få öka med mer än en fördubbling. Den norska studien är inte den första eller den enda som anger en lägre klimatkänslighet. Sådana resultat ingår i intervallet i IPCC (2007) som ju bygger på flera resultat från olika metoder.

För det andra, och igen är det goda nyheter om de visar sig hålla, är sannolikheten för att klimatkänsligheten är mycket hög eller hög (det vill säga att den skulle ligga en bra bit över 4,5 grader) eventuellt mindre än vad man tidigare har bedömt. Även senare resultat om en lägre nettoavkylande effekt av partiklar i luften (t ex Bond m fl 2012) skulle dra åt det hållet. Osäkerheten kring värmelagringen i havet är dock en viktig joker i leken (t ex Meehl m fl 2011, Levitus m fl 2012).

Trots detta är det nödvändigt att låta de senaste studierna, som sammantaget ger något varierande resultat, mogna och låta sig sättas in i kunskapslägets kontext. Även om det skulle visa sig att klimatkänsligheten ligger i den nedre kanten av spannet har vi fortfarande en ordentlig klimatförändring över oss, om inte utsläppen minskar framöver.

Fotnoter

1) Min följande sammanfattning är mestadels hämtad från ett par aktuella bloggposter på Uppsalainitiativet, av Magnus Westerstrand respektive Lars Karlsson, och från deras generösa länksamlingar.

2) Varför en fördubbling, snarare än ökning med en viss fix mängd? Svaret står att finna i att jämviktstemperaturens beroende av koldioxidhalten är approximativt logaritmisk, vilket innebär att en fördubblad CO₂-halt ger approximativt samma temperaturökning oavsett startnivå.

3) Här bortser jag från att vi givetvis också behöver känna till vad som händer med våra framtida utsläpp.

4) Vilka studier de syftar på preciseras dock inte.

5) Ytterligare fördjupning ges på den Skeptical Science-sida jag länkar till ovan. Där får vi bland annat följande intressanta analys.

There is also a significant red flag in the press release for this study:
"When the researchers at CICERO and the Norwegian Computing Center applied their model and statistics to analyse temperature readings from the air and ocean for the period ending in 2000, they found that climate sensitivity to a doubling of atmospheric CO2 concentration will most likely be 3.7°C, which is somewhat higher than the IPCC prognosis.

But the researchers were surprised when they entered temperatures and other data from the decade 2000-2010 into the model; climate sensitivity was greatly reduced to a “mere” 1.9°C."

Including an extra decade's worth of data into the model should not halve their equilibrium climate sensitivity value, because the equilibrium sensitivity of the climate system is a relatively constant number, and in reality has not changed radically over the past decade. This suggests that their model may be overfitting the short-term natural variability.

Vad gäller "senare års kortsiktiga naturliga variation" vill jag för övrigt tipsa om följande mycket instruktiva video, som vi nyligen diskuterat på Uppsalainitiativet.