Signalen en ruis in klimaatjaar 2011

Als er iets in klimaatjaar 2011 zichtbaar is geworden, is het wel de groeiende kloof tussen de wetenschap enerzijds en opinievorming in publiek en politiek anderzijds. In die gremia gonzen verschillende ‘sceptische’ argumenten rond die in de wetenschap al lang zijn weerlegd, maar die afgelopen jaar de doodklap hebben gekregen.

Klimaatjaar 2011 – een paar krenten uit de pap van nieuwe studies en inzichten die vorig jaar zijn geproduceerd.

Jan Paul van Soest

Een goede traditie in een jaaroverzicht is eerst gedenken. Dat doen we: In 2011 ontvielen ons definitief de argumenten i) dat de opwarming geen feit is, ii) dat de gemeten opwarming te wijten is aan het urban heat island effect, iii) dat de laatste jaren de opwarming is gestopt, en dat ook iv) de zeespiegelstijging geëindigd is, v) dat de opwarming te verklaren is door natuurlijke variaties, vi) dat het arctisch zee-ijs zich weer herstelt, vii) dat de invloed van de mens op de opwarming minimaal is, en viii) dat de opwarming komt door de zon. Wij gedenken deze argumenten op gepaste wijze, en hopen dat degenen die deze argumenten koesterden de moed en de kracht zullen vinden dit verlies te dragen. Nu waren die argumenten eind 2010 al terminaal, maar naar aanleiding van een serie gebeurtenissen en studies in 2011 kunnen ze nu echt ten grave worden gedragen. Al zullen ze ongetwijfeld nog jaren in de blogosfeer blijven spoken.

Echte scepticus

Voor zover er in 2011 een rode draad in de nieuwe inzichten te vinden is, zou deze kunnen liggen in het onderscheid tussen signaal (een trend) en ruis (natuurlijke variaties) waarop diverse onderzoeken hun zoeklicht richtten.

Voor de temperatuur was het inmiddels al lang duidelijk: de trendmatige stijging (signaal) is ruim boven de ruis van de natuurlijke variaties door onder meer el Niño/la Niña en de ca. 11-jarige zonnecyclus uitgekomen. Niettemin wordt nog frequent het ‘sceptische’ argument gehoord dat er helemaal geen sprake zou zijn van echte opwarming, en dat de metingen en tijdreeksen niet zouden deugen. Een hoogleraar natuurkunde aan Berkeley, Richard Muller, die eerder zei sceptisch te staan tegenover de opwarmingsclaim,  besloot zoals een echte scepticus betaamt op onderzoek uit te gaan. Met een groot team werden alle temperatuurgegevens van over de hele wereld nog eens onder de loep genomen, met nieuwe algoritmen geanalyseerd, en verdomd: ook hier bleek de opwarming onmiskenbaar[i]. De grafieken corresponderen opmerkelijk goed met de eerdere, dikwijls aangevallen grafieken van Hadley/Universiteit van East-Anglia, NASA-GISS en NOAA. Hoewel klimaatdwaallicht Anthony Watts eerder over de BEST-aanpak schreef[ii]: “And, I’m prepared to accept whatever result they produce, even if it proves my premise wrong. I’m taking this bold step because the method has promise”, kwam hij daarop schielijk terug toen de resultaten werden gepubliceerd en niet in de Watts-kraam te pas kwamen.

En passant lieten Muller en de zijnen nog even zien dat de gemeten opwarming niet te wijten was aan weerstations met een afwijking door nabije verstedelijking, het zogeheten Urban Heat Island-effect[iii], een ander stokpaardje van Anthony Watts. Maar dat die kritiek geen hout sneed was al in verschillende eerdere studies duidelijk geworden.

Opwarmingstrend gaat door

De uitgesproken en daarom dikwijls persoonlijk aangevallen klimaatwetenschapper Ben Santer publiceerde met een aantal collega’s in november het artikel ‘Separating Signal and Noise in Atmospheric Temperature Changes: The Importance of Timescale’[iv]. De conclusie is dat, gegeven de ‘ruis’ in het klimaatsysteem, gemiddeld 17 jaar observaties van het systeem nodig zijn om te kunnen concluderen of er een significante trend is. Het artikel van Santer et al. leidde tot commentaren in de serieuze sceptische hoek, zoals van Roger Pielke sr.[v] op zijn blog. Zo moet het ook. In de wetenschappelijke tijdschriften is, voor zo ver ik via Google Scholar kon achterhalen, nog geen commentaar gepubliceerd.

De Duitse hoogleraar Stefan Rahmstorf, net als Santer dikwijls onder vuur genomen omdat hij het publieke debat niet schuwt, en de statisticus Grant Foster, ook wel bekend als de blogger Tamino, gaan nog een stap verder dan Santer en collega’s. Via wiskundig-statistische technieken schonen Foster en Rahmstorf[vi] de temperatuurtijdreeksen op voor de bekende natuurlijke variaties – de el Niño/la Niña-oscillatie en de zonnecyclus – en bekende maar niet voorspelbare ‘ruis’ door vulkanische aerosolen. Door deze operatie wordt het signaal in de ruis goed zichtbaar. Figuur #1 geeft de temperatuurontwikkeling inclusief ruis, figuur #2 geeft de ontwikkeling die voor een groot maar niet volledig deel van de ruis is ontdaan.

Met de artikelen van Santer e.a. en Foster & Rahmstorf in de hand kan de ‘sceptische’ claim dat de opwarming gestopt zou zijn (meestal wordt daarbij gezegd: sinds 1998) te lijf worden gegaan. Hans Labohm roept dat herhaaldelijk op De Dagelijkse Standaard, maar ook emeritus hoogleraar Salomon Kroonenberg verkondigt dezelfde boodschap[vii]. Niet toevallig wordt veelal als startjaar voor de claim 1998 gekozen, toen er sprake was van een ongekend sterke (warme) el Niño. Reguliere media die hun sectie wetenschapsjournalistiek hebben gedecimeerd en niet in staat zijn de juistheid van dit ‘sceptische’ argument te controleren, nemen dergelijke claims maar al te gemakkelijk over. Maar het argument is onjuist. In een systeem met ruis en al zijn observaties van gemiddeld 17 jaar nodig om de conclusie ‘opwarming gestopt’ met enige zekerheid te kunnen trekken, aldus Santer. En uit de analyse van Foster & Rahmstorf waarbij de ruis wiskundig is ‘weggefilterd’ blijkt duidelijk dat de trend, de opwarming, gewoon is doorgegaan, en wel met ongeveer 0,18 graden per 10 jaar. Verwarrend is kennelijk dat de opwarmingstrend vele jaren kan worden ‘gemaskeerd’ door de natuurlijke variabiliteit. Een kleine Boerenverstand-check: 2011 was niet het warmste jaar sinds midden 19^e eeuw, maar wel het warmste La Niña-jaar. De verkoelende werking van (een van de sterkste sinds 60 jaar) la Niña zorgt niet voor absolute recordtemperaturen, maar in vergelijking met andere koele la Niña-jaren was 2011 een aanwijzing dat de trend inderdaad doorzet. De Labohms en Kroonenbergs van deze wereld verwarren de ruis met het signaal, of misschien beter gezegd: met hun signalen veroorzaken de ‘sceptici’ vooral ruis in de discussie.

Oorzaken: de hand van de mens

Via een andere benadering komen de Zwitserse klimaatwetenschappers Huber en Knutti[viii] tot conclusies die in lijn liggen met die van Santer en Foster&Rahmstorf: de natuurlijke variabiliteit kan de temperatuurstijging van de afgelopen 60 jaar niet verklaren, deze is vrijwel volledig en met een hoge mate van zekerheid te wijten aan activiteiten van de mens. De Zwitsers deden dat op basis van een 1000-tal runs met een model waarin de verschillende factoren die de energiebalans van de aarde beïnvloeden zijn vervat. Doel van de studie was niet primair scheiden van ruis en signaal, als wel proberen de oorzaken voor het signaal op te sporen, een tak van sport binnen de klimaatwetenschap die ook wel als attributie te boek staat. Ze analyseerden zo de bijdrage van die verschillende factoren aan de opwarming, sinds 1950: “It is thus extremely likely (>95% probability) that the greenhouse gas induced warming since the mid-twentieth century was larger than the observed rise in global average temperatures (groter door het koelende effect van aerosolen – JPvS), and extremely likely that anthropogenic forcings were by far the dominant cause of warming. The natural forcing contribution since 1950 is near zero.” Broeikasgassen tekenen dus voor bijna de volledige opwarming, de invloed van de zon – een ander bekend ‘sceptisch’ argument: het zou vooral de zon zijn – is slechts 0,07 graden Celsius op een waargenomen opwarming van 0,55 C. Huber en Knutti berekenen verder voor hoeveel relatieve afkoeling aerosolen zorgen, die een deel van de zonnestraling weerkaatsen: 0,45 graden. De diabolische conclusie die op grond hiervan kan worden getrokken isdat de luchtvervuiling door vuile brandstoffen zoals kolen de opwarming door broeikasgassen door kolenstook deels teniet doet. Maar dat is een gevaarlijk spel: als de aerosolvervuiling steeds verder wordt teruggedrongen, om redenen van volksgezondheid, komt het volledige CO2-opwarmingseffect letterlijk onder de smog vandaan.

Extreem weer

Dat een signaal van temperatuurstijging uit de ruis tevoorschijn komt, wil nog niet automatisch zeggen dat de klimaatverandering dan ook in de weerspatronen zichtbaar wordt. Klimaat betreft langetermijntrends, en weerpatronen zijn chaotisch. Maar factoren die het klimaat doen veranderen kunnen ook tot verschuivingen in weerpatronen leiden. De vraag is: begint dat zichtbaar te worden?

Die vraag is op twee manieren te beantwoorden. De eerste is: via de statistiek bekijken of de kans op weersextremen verandert als door klimaatverandering een aantal onderliggende grootheden verschuift, zoals temperatuur, en met de temperatuur ook de luchtvochtigheid. Als metafoor wordt wel het beeld van de dobbelsteen gebruikt: door klimaatverandering wordt een kant van de dobbelsteen iets zwaarder, en verandert de kansverdeling. Ook met zo’n verzwaarde dobbelsteen is er kans op zowel enen als zessen, maar hoe zwaarder de kant van de 1 wordt, des te vaker zal een 6 worden geworpen. Er zijn in 2011 verschillende studies verschenen die volgens de statistische benadering zijn opgezet[ix].

De tweede benadering is die via causaliteit, oorzaak en gevolg: liggen er natuurkundig verklaarbare oorzaken ten grondslag aan bepaalde weersextremen[x]? Bijvoorbeeld: het smelten van arctisch zee-ijs kan leiden tot een veranderende regionale energiebalans, met andere luchtstromingspatronen als gevolg. Eenduidigheid is er nog niet. Waar de ene analyse concludeert dat de hittegolf in Rusland in 2010 vooral te wijten was aan natuurlijke variabiliteit (Dole e.a.), concluderen andere (Rahmstorf & Coumou; Hansen e.a.) dat de kans op een hittegolf zoals in Rusland 2010 vele malen lager tot bijna nihil zou zijn geweest zonder klimaatverandering. Wie moeten we geloven? Beide benaderingswijzen zijn een stukje van de puzzel die in de komende jaren gelegd moet worden om duidelijker antwoord te krijgen op de vraag hoe klimaatverandering het weer beïnvloedt.

Een eerste tussentijdse poging tot het leggen van die puzzel werd vorig jaar ondernomen door het IPCC, in de vorm van een special report over extremen[xi]. Aantal en intensiteit van weersextremen zijn sinds 1950 toegenomen, analyseert het IPCC, vooral neerslag, hogere dagtemperaturen en hittegolven.  Dat geldt ook de schade, maar die is niet één of één met de weersextremen te verbinden, daar spelen andere factoren zoals groei van het kapitaal dat aan risico’s blootstaat een belangrijke rol. Het is waarschijnlijk dat die trends doorzetten met voortgaande opwarming. Neerslag is een duidelijk voorbeeld: warme lucht kan nu eenmaal meer vocht bevatten dan koelere lucht, en wat in de lucht zit regent vroeger of later ook weer uit, en meer watermassa in de lucht betekent vaak extremere buien dan in vroeger tijden. Hittegolven nemen volgens het IPCC-rapport met een aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid toe in lengte, frequentie en intensiteit.

Zeespiegelstijging: de moeilijkheden van prognoses

Over de te verwachten zeespiegelstijging bestaat geen eenduidigheid. Dat de zeespiegel stijgt met doorgaande opwarming staat buiten kijf, al doen de ‘sceptici’ hier ook van zich spreken met beweringen dat de zeespiegel daalt. En dat is nu ook zo: ook in de zeespiegel zijn er natuurlijke variaties, zeer nauwkeurig door satellieten gemeten. En net als bij de luchttemperatuur is hier weer sprake van signaal (trend) en ruis. De onderliggende trend komt helder uit de ruis tevoorschijn, en wordt ook fysisch goed begrepen: door opwarming zet water uit en smelt landijs, waardoor water in zee stroomt. Een relatief nieuw inzicht is dat oppompen van grondwater (gevolgd door gebruik en verdamping) een substantiële bijdrage levert aan de zeespiegelstijging[xii]: 13% van de trendmatige stijging van 3,1 mm/jaar is aan grondwatergebruik te wijten.

De moeilijkheden bij voorspellingen van de toekomstige zeespiegelstijging zitten dan ook niet in begrip van de basismechanismen uitzetten en smelten, maar in onvoldoende begrip van de wijze waarop grote ijsmassa’s plotseling kunnen desintegreren. Lineair trends doortrekken leidt waarschijnlijk tot een onderschatting van wat zou kunnen gebeuren; wie voorbereid wil zijn moet dan ook de bovengrens, de maximale zeespiegelstijging deze eeuw, in beeld proberen te krijgen. En dat is lastig, doordat in het arctisch gebied niet-lineaire processen in het spel kunnen zijn. In het rapport Snow, Water, Ice, Permafrost in the Arctic (SWIPA)[xiii] van juli 2011 wordt de stand van kennis beschreven.  De hogere luchttemperaturen jagen veranderingen in de cryosfeer (sneeuw en ijs) aan, en de aanwijzingen groeien dat door smelten van sneeuw en ijs de klimaatverandering verder versnelt. Het IPCC-rapport van 2007 heeft volgens SWIPA de veranderingen in het arctisch gebied onderschat. De bijdragen van verlies aan landijs in het arctisch gebied zijn dan ook groter dan eerder werd gemeten en berekend. Op basis van dit alles schat SWIPA de zeespiegelstijging deze eeuw op 0,9 à 1,6 meter, maar met de aantekening dat er flinke onzekerheid is over snelle desintegratie (instorten) van landijsmassa’s. Een hogere zeespiegelstijging is, wanneer er inderdaad sprake is van niet-lineaire processen, niet uit te sluiten, al blijft de analyse van James Hansen en Makiko Sato[xiv] op basis van snelle klimaatveranderingen in het (verre) verleden een buitenbeentje: Hansen en Sato betogen dat een zeespiegelstijging met 5 meter eind deze eeuw denkbaar is.

Klimaatgevoeligheid

Laten we dit verre van volledige jaaroverzicht 2011 eindigen met relatief goed nieuws: een analyse dat de klimaatgevoeligheid wel eens lager zou kunnen zijn dan eerder geraamd. De klimaatgevoeligheid is de temperatuurverhoging in Kelvin (K) bij een verdubbeling van de CO2-concentratie in de atmosfeer. Het laatste IPCC-rapport raamde deze, op basis van een veelheid van studies, op 2 – 4,5 K, met een ‘meest waarschijnlijke waarde’ van 3. Andreas Schmittner en collega’s schatten de klimaatgevoeligheid aan de hand van veranderingen in het laatste glaciaal, dik 20.000 jaar geleden, op 2,3 K[xv]. Dat past op zich binnen de bandbreedte van het IPCC, maar opmerkelijker misschien nog dan de waarde voor de klimaatgevoeligheid zelf was dat Schmittner en de zijnen er een kleine onzekerheidsmarge omheen vonden: 1,7 – 2,6 K. Wonderlijker wijze was dit artikel aanleiding voor verschillende ‘sceptische’ beschouwingen met als strekking ‘Zie je wel, de klimaatgevoeligheid is toch niet zo hoog’, waarbij voor het gemak even voorbij werd gegaan aan de andere en eerdere ‘sceptische’ argumenten dat er helemaal geen klimaatverandering is, dan wel dat zelfregulerende mechanismen in de atmosfeer zouden zorgen voor een klimaatgevoeligheid van ordegrootte 1 K. Zo bezien zou 2,3 K toch nog een lelijke tegenvaller voor de ‘sceptische’ gemeenschap moeten zijn. Misschien dat daarom enkele Merchants of Doubt, zoals het blog World Climate Report[xvi] en de beruchte als wetenschapper verklede lobbyist Michaels[xvii] (van de vrijemarktdenktank Cato Institute) er niet voor terugdeinsden een oorspronkelijke grafiek zo te manipuleren dat hogere klimaatgevoeligheden leken te worden uitgesloten. Wat volgens de onderzoekers niet het geval is.

Relatief goed nieuws, schreef ik: er is immers weinig reden om blij te zijn met een hoge klimaatgevoeligheid. Voor wie zich zorgen maakt over klimaatverandering is een lage klimaatgevoeligheid een voordeel: dan is er meer tijd om bij te sturen, en kan er meer koolstof in de atmosfeer worden geloosd dan bij een hogere klimaatgevoeligheid. Maar het goede nieuws moet ook gerelativeerd worden: Schmittner en de zijnen produceerden een van de vele studies naar klimaatgevoeligheid, en leggen door hun werkwijze en inzichten weer een puzzelstukje op tafel. In een interview op www.planet3.org lichtte co-auteur Nathan Urban de bevindingen nader toe[xviii]. De bevindingen, inclusief de kleine onzerheidsmarge, zijn geldig voor deze specifieke studie: uitgangssituatie, dataset, model. Het antwoord op de vraag naar klimaatgevoeligheid moet, ook volgens Nathan Urban, van een veelheid van studies komen. Inmiddels is over de studie van Schmittner de nodige discussie losgebarsten tussen wetenschappers, zie bijvoorbeeld de blogbijdragen van Bart Verheggen[xix] en van RealClimate.org[xx]. En zo moet dat ook. In het volgende IPCC-rapport kan dan weer de balans van alle dan bekende studies naar klimaatgevoeligheid worden opgemaakt. De Utrechtse onderzoekers Roderik van de Wal en Appy Sluijs analyseren momenteel tal van studies naar de klimaatgevoeligheid, om aan de hand daarvan een nieuwe beste inschatting te kunnen maken. U kunt uw weddenschappen nog afsluiten.

Thermometer in de achtertuin

Van de ontwikkelingen in de wetenschap lijken de publieke en politieke discussies zich weinig aan te trekken. Misschien zelfs wel het omgekeerde: zowel de bereidheid om de wetenschap serieus te nemen als de bereidheid om maatregelen te treffen lijken omgekeerd evenredig met het vorderen van de wetenschappelijke inzichten. Duister voorbeeld zijn de Verenigde Staten, waar een partijkandidatuur voor het presidentschap bij de Republikeinen alleen mogelijk is voor degenen die krachtig afstand te nemen van de klimaatwetenschap en de notie van klimaatverandering. Ook in 2011: ‘Durban’ leidde niet tot doorbraken. Canada stapte uit het Kyoto-verdrag. In Nederland is de situatie maar marginaal beter dan in de VS of Canada, met een kabinet dat overeind wordt gehouden door de gedoogsteun van een partij die en bloc niet in klimaatverandering gelooft, omdat de thermometer in de achtertuin van Martin Bosma in de winter van 2010-2011 aanwees dat het toen kouder was dan in de zomer[xxi].

 Noten

 [i] Alle methoden, data en uitkomsten zijn te vinden op http://berkeleyearth.org/

[ii] http://wattsupwiththat.com/2011/03/06/briggs-on-berkeleys-best-plus-my-thoughts-from-my-visit-there/

[iii] http://berkeleyearth.org/pdf/berkeley-earth-uhi.pdf

[iv] http://muenchow.cms.udel.edu/classes/MAST811/Santer2011.pdf

[v] http://pielkeclimatesci.wordpress.com/2011/09/07/comments-on-the-new-paper-separating-signal-and-noise-in-atmospheric-temperature-changes-the-importance-of-timescale-by-santer-et-al-2011/

[vi] http://iopscience.iop.org/1748-9326/6/4/044022/pdf/1748-9326_6_4_044022.pdf, nadere tekst en uitleg via Tamino’s blog http://tamino.wordpress.com/2011/12/06/the-real-global-warming-signal/.

Ook Bart Verheggen plaatste een goed leesbaar artikel over variabiliteit en trends op zijn blog: http://klimaatverandering.wordpress.com/2011/12/30/globaal-gemiddelde-temperatuur-korte-termijn-variatie-vs-lange-termijn-trend/

[vii] Interview met Pier Vellinga en Salomon Kroonenberg, http://www.joswassink.nl/inzicht/?p=1466

[viii] M. Huber & R. Knutti – Anthropogenic and natural warming inferred from changes in Earth’s energy balance; Nature Geoscience, December 2011. Toelichting op http://www.skepticalscience.com/huber-and-knutti-quantify-man-made-global-warming.html

[ix] Onder meer S. Rahmstorf and D. Coumou – Increase of extreme events in a warming world; PNAS, oktober 2011;

J. Hansen, M. Sato, R. Ruedy – Climate Variability and Climate Change: The New Climate Dice, november 2011.

[x] Bijvoorbeeld: R. Dole e.a. – Was there a basis for anticipating the 2010 Russian heat wave? GRL, maart 2011, waarin een statistische analyse met een causale analyse wordt gecombineerd.

[xi] IPCC werkgroepen I en II, Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation; IPCC, 2011. Summary for Policy Makers; in februari 2012 verschijnt het hoofdrapport.

[xii] Zie L.F. Konikow – Contribution of global groundwater depletion since 1900 to sea‐level rise; GRL, september 2011.

[xiii] http://amap.no/swipa/

[xiv] J. Hansen, M. Sato – Paleoclimate Implications for Human-Made Climate Change, Atm. And Oceanic Physics, juli 2011

[xv] A. Schmittner e.a. – Climate Sensitivity Estimated from Temperature Reconstructions of the Last Glacial Maximum; Science, oktober 2011.

[xvi] http://www.worldclimatereport.com/index.php/2011/11/08/a-new-lower-estimate-of-climate-sensitivity/

[xvii] http://www.forbes.com/sites/patrickmichaels/2011/11/14/throwing-cold-water-on-the-u-n-s-fat-tail/2/

[xviii] http://newscience.planet3.org/2011/11/24/interview-with-nathan-urban-on-his-new-paper-climate-sensitivity-estimated-from-temperature-reconstructions-of-the-last-glacial-maximum/

[xix] http://klimaatverandering.wordpress.com/2011/12/01/klimaatgevoeligheid-laatste-ijstijd-schmittner-science/

[xx] http://www.realclimate.org/index.php/archives/2011/11/ice-age-constraints-on-climate-sensitivity/

[xxi] http://natuurlijkewereld.blogspot.com/2011/01/de-wereld-thermometer-in-martin-bosmas.html