Tłumaczenie na podstawie „Perception of climate change„, J. Hansen 2012
„Kostka klimatyczna”, reprezentująca klimatologiczne
prawdopodobieństwo wystąpienia szczególnie ciepłych lub zimnych pór
roku, uległa stopniowemu „dociążeniu”, zgodnie z postępującym
ocieplaniem klimatu.
Rozkład anomalii temperatur poszczególnych pór roku przesunął się w
górę, a jego szerokość wzrosła. Istotną zmianą jest pojawienie się nowej
kategorii letnich ekstremalnych fal upałów, (z temperaturami
przekraczającymi średnią z okresu 1951-1980 o ponad 3 odchylenia
standardowe) dotychczas praktycznie nie występującej. Takie ekstrema
zdarzały się dawniej na obszarach obejmujących znacznie poniżej 1%
powierzchni Ziemi, obecnie ich obszar obejmuje 10% powierzchni lądów.
Ze względu na to, że prawdopodobieństwo takich ekstremalnych zdarzeń było dawniej pomijalnie małe, stwierdzamy, że ekstremalne fale upałów, takie jak te w Teksasie i Oklahomie w 2011 roku i Moskwie 2010, są skutkiem globalnego ocieplenia. W artykule dyskutujemy praktyczne implikacje tej znaczącej, narastającej zmiany klimatu.
Największą przeszkodą w zauważeniu przez społeczeństwo wywoływanej przez ludzi zmiany klimatu jest jego naturalna zmienność. Jak zwykły człowiek może wychwycić długoterminowy trend zmiany klimatu, mając na co dzień do czynienia z ciągłą zmiennością pogody w miejscu zamieszkania z dnia na dzień i z roku na rok?
To pytanie, ze względu na potrzebę społecznego zrozumienia znaczenia wywoływanej przez nas zmiany klimatu ma wielką wagę praktyczną. Działania w kierunku ograniczenia emisji gazów cieplarnianych nie znajda
dostatecznego poparcia tak długo, jak długo społeczeństwo nie dostrzeże, że globalne ocieplenie postępuje a jego
konsekwencje są nie do zaakceptowania, jeśli nie zostaną podjęte skuteczne działania w celu spowolnienia zmian klimatu.
Wczesne zrozumienie, że zmiana klimatu jest dziełem człowieka, jest krytyczne. Stabilizacja klimatu na poziomie właściwym dla Holocenu, okresu rozwoju cywilizacji, może być osiągnięta jedynie przez jak najszybsze zredukowanie emisji gazów cieplarnianych pochodzących ze spalania paliw kopalnych[1].
Już pod koniec lat 80-tych przewidywano[2], że na początku XXI wieku najlepiej poinformowana część społeczeństwa powinna zauważać wzrost częstotliwości pojawiania
się upalnych lat. Inaczej mówiąc, kostka klimatyczna reprezentująca prawdopodobieństwo szczególnie gorących lub zimnych pór roku będzie wystarczająco „dociążona”, aby zmiany te stały się zauważalne
dla szerokich rzesz ludzi.
Ostatnie fale upałów, takie jak te w Teksasie i Oklahomie w lecie 2011 roku, każą postawić pytanie, czy te ekstremalne zdarzenia są konsekwencją globalnego ocieplenia, które z coraz większą pewnością możemy przypisać wytwarzanym przez ludzkość gazom cieplarnianym[3]?
Lato, okres, w którym ma miejsce największa produktywność biologiczna, to szczególnie ważna pora roku i moment, w którym zmiany klimatu mogą mieć największe skutki. Globalne ocieplenie powoduje, że wiosenny wzrost temperatur przychodzi wcześniej, a spadek temperatur rozpoczynający jesień opóźnia się. Tak więc globalne ocieplenie nie tylko wywołuje wzrost temperatury w lecie, ale też powoduje, że lato przeciąga się, ze względu na szybszy koniec wiosny i późniejsze nadejście jesieni. Z tego powodu nasze badania koncentrują się na tym, jak przebiegała zmienność letnich temperatur.
Do analizy zmian średnich temperatur pór roku i ich przebiegu w ostatnich dekadach wykorzystaliśmy informacje o temperaturze przy powierzchni ziemi pochodzące z bazy danych
NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS)[4]. Analiza GISS jest prowadzona w dwóch rozdzielczościach przestrzennych: 1200 km i 250 km. Ze względu na prowadzona analizę zmian temperatury w skali regionalnej w tej pracy wykorzystujemy dane o rozdzielczości 250 km.
Jednym z zasobów GISS są dane z utrzymywanej przez Narodowe Centrum Danych Klimatycznych (National Climatic Data Center – NCDC) należące do Amerykańskiej Narodowej Służby Oceanicznej i Meteorologicznej (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA) Globalnej Historycznej Sieci Klimatologicznej (Global Historical Climatology Network – GHCN), przechowującej zapisy pomiarów temperatury powietrza na stacjach meteorologicznych. W analizie wykorzystujemy dane wersji 2 (GHCNv2)[5], gdyż jest to wersja wykorzystana w analizie GISS[4]. Dane z nowszej wersji udostępnianej przez NCDC, zainicjowanej w 2011 roku, dają nieco wyższy trend ocieplenia (0,75°C dla okresu 1900-2010, podczas gdy GHCNv2 daje 0,72°C), różnice te
są na tyle małe, że nie wpływają na wnioski naszych badań.
Prezentujemy obserwowaną zmienność średniej temperatury pór roku w koncentrując się na odchyleniu standardowym –
wielkości obrazującej szerokość normalnego rozkładu prawdopodobieństwa (szeroko
znany opinii publicznej rozkład Gaussa w kształcie ”dzwonu”). Jako okres odniesienia wybraliśmy
lata 1951-1980. Z jednej strony jest to okres sprzed pojawienia się szybkiego trendu ocieplania klimatu w latach 1990 – 2010, a z drugiej strony jest to okres, który wiele osób, szczególnie ze starszego pokolenia, wciąż dobrze pamięta.
Dodatkowo, średnia globalna temperatura w okresie 1951-1980 pozostawała w zakresie typowym dla Holocenu, klimat odpowiadał więc warunkom, do których dostosowała się natura i nasza cywilizacja. Z kolei globalna temperatura w pierwszej dekadzie XXI wieku prawdopodobnie już wyszła poza przedział typowy dla Holocenu[6], na co wskazuje szybka utrata masy przez lądolody Grenlandii i Antarktydy[7],[8] i wzrost poziomu morza w tempie [3m/tysiąclecie[9], aktualne dane dostępne w http://sealevel.colorado.edu/] znacznie przekraczającym typowe tempo zmian w Holocenie.
Wyniki
Letnie anomalie (odchylenia od średniej) temperatury. Odchylenia temperatury w miesiącach czerwiec-lipiec-sierpień (lato na półkuli północnej) od średniej z okresu 1951-1980 są pokazane na Rys. 1 Wartości ukazano dla lat z połowy kolejnych dekad (1955, 1965, 1975) i sześciu ostatnich lat.
Rys. 1. Letnie (czerwiec-lipiec-sierpień) odchylenia temperatury od średniej z okresu 1951-1980 dla lat 1955, 1965, 1975 i sześciu ostatnich. Liczby nad górnym prawym rogiem wykresów to średnie globalne odchylenie temperatury w danym roku od średniej z okresu 1951-1980 (dla wszystkich obszarów dla których są dane).
Większość regionów była w ostatnich latach cieplejsza, niż w okresie 1951-1980, jednak wciąż zdarzają się obszary, na których temperatury mogą być niższe od średniej z tamtych lat. Przykładowo, lata 2004 i 2009 w USA były raczej chłodne. Jakie jest jednak praktyczne znaczenie tych odchyleń temperatury od średniej? Wzrost temperatury od okresu 1951-1980 wynosi 0.5-0.6°C, co nie wydaje się wielką zmianą.
Naturalna zmienność klimatu i odchylenie standardowe.
Dobrym sposobem na zrozumienie znaczenia globalnego ocieplenia jest porównanie wzrostu temperatury do naturalnej zmienności temperatur w różnych latach.
Rys. 2. Odchylenie standardowe σ rozkładu temperatury przy powierzchni Ziemi dla danego miejsca w trzech miesiącach letnich (na górze) i zimowych (na dole). Z lewej strony w okresie 1951-1980, z prawej w okresie 1981-2010. Po środku dane dla okresu 1981-2010, ale po poprawce na wzrostowy trend temperatury.
Standardowe odchylenie lokalnych temperatur powierzchni ziemi od średniej w okresie 1951-1980 (Rys. 2, lewa kolumna) jest miarą typowych wahań temperatur pór roku w tym 30-letnim okresie bazowym.
Poniżej pokażemy rozkład obserwowanych temperatur wokół ich średniej wartości. Standardowo przyjmuje się, że zmienność tę można przybliżyć rozkładem normalnym (Gaussa). W rozkładzie normalnym 68 procent obserwacji (w naszym przypadku obserwacją jest temperatura pory roku) mieści się w przedziale jednego odchylenia standardowego σ od średniej. „Ogony” rozkładu normalnego szybko zanikają w stronę niskich i wysokich wartości – prawdopodobieństwo, że temperatura będzie wyższa od średniej o ponad 2σ wynosi tylko 2,3%; podobnie prawdopodobieństwo, że temperatura będzie niższa od średniej o ponad 2σ wynosi tylko 2,3%. Szansa na to, że temperatura przekroczy średnią o ponad 3σ to już jedynie 0,13% (tak samo, jak szansa na to, że temperatura będzie niższa od średniej o ponad 3σ).
Zmienność temperatury powierzchni ziemi pomiędzy kolejnymi latami jest większa w zimie, niż w lecie, większa jest też nad lądami, niż nad oceanami (Rys. 2). Większe wahania temperatury zimą wynikają głównie ze znacznie większej różnicy temperatur pomiędzy niskimi i wysokimi szerokościami geograficznymi w tym okresie. Skutkuje to możliwością znacznie większych wahań temperatury w danym miejscu – nawet rzędu dziesiątek stopni – w zależności od tego, czy wiatr wieje z południa czy z północy (Co jest szczególnie widoczne w polskich szerokościach geograficznych, gdzie wędrujące niże powodują dużą zmienność kierunku wiatru. Przyp. red.). W lecie różnica temperatur pomiędzy niskimi i wysokimi szerokościami geograficznymi jest znacznie mniejsza, mniejszy gradient temperatury osłabia więc wymianę mas powietrza między średnimi szerokościami geograficznymi, a regionami polarnymi – a kiedy już wymiana taka ma miejsce, jej wpływ na zmiany temperatury jest słabszy niż zimą (kiedy mroźne powietrze polarne napływa w średnie szerokości geograficzne).
Potencjalną słabością użycia jako punktu odniesienia dla definicji naturalnego zakresu zmienności temperatur (ich odchylenia standardowego σ) okresu 1981-2010 jest szybkie ocieplanie się klimatu w tym okresie. Jednak uwzględnienie i odjęcie lokalnych liniowych trendów temperatury przed wyliczeniem odchylenia standardowego daje jedynie małe zmiany wyniku (środkowa kolumna z Rys. 2). To porównanie pokazuje, że odchylenie standardowe σ jest związane głównie z naturalną zmiennością temperatur pomiędzy kolejnymi latami.
Właściwie nie jest istotne, który okres pomiarów wykorzystamy dla określenia σ. W dalszych rozważaniach użyjemy odchylenia standardowego obliczonego na podstawie danych z okresu 1981-2010 skorygowanych na trend ocieplający się (czyli odpowiadających środkowej kolumnie z Rys. 2).
Zobaczmy, na ile nietypowe były ostatnio odnotowywane letnie temperatury.
Rys. 3. Letnie (czerwiec-lipiec-sierpień) lokalne odchylenia temperatury od średniej z okresu 1951-1980 dla lat 1955, 1965, 1975 i sześciu ostatnich wyrażone w lokalnych średnich odchyleniach temperatury σ. Przykładowo – kolorem fioletowym zostały zaznaczone tereny, na których średnia temperatura w lecie w danym roku była niższa od średniej z okresu 1951-1980 o ponad 3σ). Liczby nad górnym prawym rogiem wykresów to procent powierzchni Ziemi, na których odchylenie temperatury w lecie mieściło się w kolejnych przedziałach.
Rys. 3 pokazuje letnie, lokalne odchylenia temperatury od średniej z okresu 1951-1980 wyrażone w wielkościach odchylenia standardowego σ (środkowa kolumna Rys. 2). Obszary czerwone to miejsca, w których letnie temperatury przekroczyły średnią o ponad 2 odchylenia standardowe, a obszary brązowe to miejsca w których letnie temperatury przekroczyły średnią aż o ponad 3 odchylenia standardowe. Liczby nad górnym prawym rogiem wykresów to procent powierzchni Ziemi, na których odchylenie temperatury w lecie mieściło się w kolejnych przedziałach oznaczonych kolorami.
Uwagę na Rys. 3 przykuwa pojawienie się w ostatnich latach wielkich obszarów o anomaliach większych niż 3σ (oznaczone kolorem brązowym), pokrywające 4-13% powierzchni Ziemi. Gdyby rozkład temperatur był losowy i zgodny ze średnią z okresu 1951-1980, to obszary brązowe powinny zajmować jedynie 0,1-0,2% powierzchni planety.
Ta ostatnia eksplozja obszarów cieplejszych o ponad 3σ od średniej zmusza do postawienia kilku pytań: jak wygląda rozkład obserwowanych odchyleń temperatury od średniej i jak się on zmieniał w ostatnich dekadach? I na ile istotne są te odchylenia? Mocno komentowane w mediach ekstremalne upały w Teksasie w 2011 roku oraz wokół Moskwy i na Bliskim Wschodzie w 2010 mieściły się właśnie w przedziale +3σ, sugerując, że wzrost liczby tak ekstremalnych zdarzeń może mieć bardzo poważne praktyczne konsekwencje.
Przyjrzyjmy się zmianom rozkładu odchyleń temperatury od średniej.
Rys. 4. Częstotliwość występowania (oś y) lokalnych odchyleń temperatury, podzielonych przez lokalne odchylenie standardowe (oś x) uzyskana przez zagregowanie rezultatów z okresów 11-letnich w przedziały o szerokości 0,05σ. Obszar pod każdą krzywą wynosi 100%. Okresy bazowe, od lewej do prawej, to 1951-1980, 1951-2010 i 1981-2010.
Rozkład odchyleń temperatury od średniej w kolejnych dekadach jest pokazany na Rys. 4 dla trzech przedziałów odchylenia standardowego z Rys. 2. Dla porównania rozkład normalny (tzw. krzywa Gaussa) odchyleń temperatur jest zaznaczony czarną linią. W górnym wierszu pokazane są wyniki analizy dla całej planety, w dolnym jedynie dla lądów na półkuli północnej. Rozkłady zostały utworzone poprzez zagregowanie lokalnych odchyleń temperatury podzielonych przez lokalne odchylenie standardowe, zgrupowanych w przedziałach co 0,05.
Dane dla okresu 1951-1980 pasują dobrze do rozkładu normalnego, szczególnie dla obszaru lądowego, gdzie dane pomiarowe są najdokładniejsze.
Wyraźnie widać znaczące przesunięcie rozkładu w stronę wyższych temperatur w kolejnych dekadach, w ostatnich 30 latach, przy czym proces ten najwyraźniejszy jest nad lądami (wykresy w dolnym wierszu). Ponadto, w ostatnich dekadach wyraźnie większa się zakres zmienności wskaźników. Występowanie odchyleń temperatury klasy +3σ, +4σ a nawet +5σ, praktycznie nie zdarzających się w okresie 1951-1980, w ostatniej dekadzie stało się wyjątkowo częste, co pokazują duże brązowe obszary na Rys. 3. Szczególnie chłodne okresy letnie zdarzają się zaś znacznie rzadziej. W ostatniej dekadzie (2001-2011) prawdopodobieństwo chłodnego lata (lewa kolumna na Rys. 5) spadło w skali planety do 13%, a dla lądów półkuli północnej do jedynie 8%.
Rys. 5. Procent powierzchni Ziemi (prawdopodobieństwo wystąpienia danego zjawiska na ułamku powierzchni Ziemi przyp. red.) z odchyleniami z kategorii „ciepło” (temperatury większe od średniej o 0,43σ), bardzo ciepło (temperatury większe od średniej o 2σ) i ekstremalnie ciepło (temperatury większe od średniej o 3σ) są zaprezentowane po prawej stronie wykresu. Ich odpowiedniki poniżej średniej są przedstawione po lewej stronie. Prawdopodobieństwo wystąpienia okresów letnich o temperaturach odpowiadającym średnim temperaturom z lat 1951-1980 po środku.
Dociążona kostka klimatyczna. „Dociążanie” „kostki klimatycznej” obrazuje systematyczne przesuwanie się rozkładu temperatur. Hansen[2] zaproponował przedstawienie klimatu z okresu 1951-1980 w formie kostki z dwoma ściankami w kolorze czerwonym (ciepła pora roku), dwoma ściankami w kolorze niebieskim (zimna pora roku) i dwoma ściankami w kolorze białym (temperatury bliskie średniej). Aby prawdopodobieństwo „wypadnięcia” ścianek każdego koloru było identyczne (jedna trzecia), czyli prawdopodobieństwa wystąpienia okresu ciepłego, zimnego i neutralnego były takie same, punkty podziału rozkładu normalnego będą leżeć w odległości 0,43σ od średniej (na lewo od średniej pomniejszonej o 0,43σ okresy zimne, na prawo od średniej powiększonej o 0,43σ okresy ciepłe, a pomiędzy -0,43σ a +0,43σ okresy z temperaturą zbliżoną do średniej z okresu 1951-1980).
Model klimatu z 1988 roku użyty do prognozowania ocieplenia dla różnych scenariuszy emisji gazów cieplarnianych[2]. Zgodnie z symulacjami ze scenariusza B, w którym wymuszanie klimatyczne okazało się być bardzo zbliżone do rzeczywistości, na początku XXI wieku cztery z sześciu ścianek powinny być czerwone.
Rys. 5 pokazuje, że globalnie, występowanie okresów „ciepłych” (odchylenie temperatury od średniej przekracza +0,43σ) sięgnęło 67%, co oznacza, że cztery ścianki kostki klimatycznej mają już kolor czerwony, a szanse na „wypadnięcie” ścianki „zimnej” lub „przeciętnej” odpowiadają pojedynczym ścianom kostki. Dla obszarów lądowych na półkuli północnej kostka jest obciążona nawet mocniej (Rys. 5, dolny rząd).
Prawdopodobnie najważniejszą zmianą jest pojawienie się nowej kategorii „ekstremalnie ciepło”, odpowiadającej wystąpieniu temperatur przekraczających średnią z okresu 1951-1980 o ponad 3σ. Ze względów praktycznych istotniejsza jest analiza zmian temperatur nad obszarami lądowymi, a nie globalnej średniej, zaniżanej przez inercję termiczną oceanów.
Rys. 6. Letnie (czerwiec-lipiec-sierpień) lokalne odchylenia temperatury nad lądami od średniej z okresu 1951-1980 dla lat 1955, 1965, 1975 i sześciu ostatnich wyrażone w lokalnych średnich odchyleniach temperatury σ. Liczby nad górnym prawym rogiem wykresów to procent powierzchni Ziemi, na których odchylenie temperatury w lecie mieściło się w kolejnych przedziałach.
Rys. 6 pokazuje, że temperatury przekraczające średnią o ponad 3σ praktycznie kiedyś nie występowały, jednak w ostatnich latach te ekstremalne anomalie objęły około 10% powierzchni lądów.
Mapy analogiczne do tych z Rys. 6, ale dla okresu zimowego (grudzień-styczeń-luty) są dostępne w informacjach dodatkowych – pozwalają one na zbadanie trendów zimowych i letnich na obu półkulach. Trendy zimowe zmian temperatury wyrażone w odchyleniach standardowych są porównywalne do letnich, choć trochę mniejsze. Co prawda ocieplenie zimą jest większe, niż latem, jednak jest to kompensowane z naddatkiem przez większe naturalne wahania temperatury pomiędzy kolejnymi latami (Rys. 2), przez co społeczeństwu trudniej jest zauważyć zmieniający się klimat w okresie zimowym. Innym czynnikiem wpływającym na percepcję społeczną zimowego ocieplenia jest fakt, że ilość opadów śniegu rośnie wraz ze wzrostem temperatury (w rejonach wystarczająco zimnych, by mógł spaść śnieg), a większość społeczeństwa ma tendencję do utożsamiania dużych opadów śniegu i „ciężkiej zimy”, nawet jeśli temperatury nie są ekstremalnie niskie.
Ponaddziesięciokrotne powiększenie się powierzchni wyjątkowo gorących obszarów (anomalie termiczne > +3σ ) w lecie odzwierciedla przesunięcie się rozkładu temperatury w górę w związku z przyspieszającym przez ostatnie 30 lat globalnym ociepleniem, jak jest to widoczne na Rys. 4. Jednym z następstw tego faktu jest to, że ekstremalne fale upałów, takie jak te z Teksasu w 2011 roku, Moskwy w 2010 roku czy Francji w 2003 roku prawie na pewno nie miałyby miejsca, gdyby nie globalne ocieplenie i związane z nim przesuwanie się rozkładu temperatur. Innymi słowy, możemy z dużym stopniem pewności stwierdzić, że te ekstremalne temperatury są konsekwencjami globalnego ocieplenia.
Jak “dociążenie” kostki klimatycznej będzie zmieniać się w przyszłości? Rys. 4 dostarcza jasnej i trzeźwiącej wskazówki. W odpowiedzi na globalny wzrost temperatur o 0,5°C w ostatnich trzech dekadach, rozkład temperatur przesunął się o ponad +1σ. Przewiduje się, że dodatkowe ocieplenie w następnych 50 latach – o ile emisje ze spalania paliw kopalnych będą nadal wpuszczane do atmosfery – wyniesie co najmniej 1°C. W tym przypadku, dalsze przesuwanie się rozkładu temperatur w górę uczyni zdarzenia klasy +3σ normą, a zdarzenia klasy +5σ będą występować bardzo często. Możliwe implikacje tak ekstremalnych zmian rozważamy w sekcji Dyskusja.
Dłuższa skala czasowa i szczegóły regionalne. Dane dla okresu letniego (czerwiec-lipiec-sierpień) dla dłuższej serii czasowej 1900-obecnie, w tym dla kontynentalnych Stanów Zjednoczonych, są pokazane na Rys. 7.
Rys. 7. Procent powierzchni Ziemi (z lewej), lądów półkuli północnej (po środku) i USA (z prawej) z odchyleniami z kategorii „ciepło” (temperatury większe od średniej o 0,43σ), bardzo ciepło (temperatury większe od średniej o 2σ) i ekstremalnie ciepło (temperatury większe od średniej o 3σ).
Dłuższa skala czasowa jest przydatna przy badaniu zmian w Stanach Zjednoczonych, ze względu na dobrze znane ekstremalne upały i susze z lat 30. Relatywnie niewielki obszar terytorium USA (niecałe 1,6% powierzchni planety) powoduje, że odchylenia temperatur od średniej są obarczone dużym błędem statystycznym. Tym niemniej, długoterminowy wzrostowy trend temperatury w kierunku gorętszych lat jest mniej wyraźnie widoczny dla USA, niż dla całości lądów półkuli północnej.
Warto zauważyć, że ekstremalne gorące lata lat 30., łącznie z 1934 i 1936, są porównywalne z ekstremami z ostatnich lat.
Zmienność rok-do-roku, związana głównie z losowością pogody w danym roku, dla tak małego obszaru jak USA jest na tyle duża, że właściwie można by nie szukać wyjaśnienia dla wzrostu temperatur z lat 30. lub względnie niewielkiego powolnego wzrostu temperatur w ostatnich dekadach. Temat ten jednak wymaga przedyskutowania, ponieważ, o ile brak większego ocieplenia w ostatnich latach jest pogodową fluktuacją statystyczną, to USA już wkrótce staną w obliczu szybkiego ocieplenia.
Niektórzy naukowcy sugerują, że wysokie letnie temperatury i susze w USA w latach 30. można wyjaśnić zmianami temperatury otaczających Amerykę oceanów i losowością pogody[10],[11]. Inni z kolei[12-14] dowodzą, że zmiany w wykorzystaniu terenów rolniczych doprowadziły do zmiany albedo (zdolności odbijania światła), powstania chmur pyłu, wysokich temperatur i warunków sprzyjających suszy. Zarówno dowody empiryczne, jak i symulacje klimatyczne[14],[15] wskazują, że irygacja na terenach rolniczych daje znaczący regionalny efekt chłodzący. Zwiększenie areału nawadnianych terenów rolniczych w drugiej połowie XX wieku mogło przyczynić się do ochłodzenia klimatu w USA, kompensując częściowo ocieplanie klimatu przez gazy cieplarniane. Tego typu efekty regionalne mogą częściowo odpowiadać za różnice pomiędzy lokalnymi i globalnymi trendami zmian temperatury.
Przewidywanie regionalnych zmian klimatu jest trudne, gdyż kształtują je często liczne czynniki i duży wpływ losowych zmian pogody. Oprócz ogólnego trendu ocieplania się, możemy spodziewać się przesuwania się stref klimatycznych w kierunku biegunów. Teoria i modele klimatu wskazują, że strefa cyrkulacji tropikalnej (komórka Hadleya), będzie rozszerzać się w kierunku biegunów[16],[17]. Dostępne są już dowody z danych satelitarnych, radiosond i reanaliz, że w ostatnich trzech dekadach komórka Hadleya przesunęła się w kierunku biegunów o kilka stopni (kilkaset kilometrów)[18], choć zmiany kilku wskaźników wykorzystywanych do definiowania granicy nie są statystycznie znaczące[19].
Wpływu rozszerzania się granicy cyrkulacji tropikalnej na półkuli północnej można oczekiwać w południowych Stanach Zjednoczonych i regionie śródziemnomorskim w lecie, gdy komórka Hadleya rozciąga się na te obszary. Ogólnie rzecz biorąc, globalne ocieplenie powoduje, że w atmosferze zbiera się więcej wody, prowadząc do bardziej ekstremalnych opadów. Jednak regiony doświadczające wzmocnienia warunków subtropikalnych mogą doświadczyć okresów suszy i wzrostu temperatur[20],[21], co może przyczynić się m.in. do intensyfikacji pożarów lasów, które będą gorętsze i bardziej niszczycielskie[22].
Rys. 8. Odchylenia temperatur letnich (czerwiec-lipiec-sierpień) i zimowych (grudzień-styczeń-luty) od średniej (°C) dla obszarów pokazanych po prawej.
Porównanie zmian temperatur w lecie i zimie dla kilku wybranych regionów jest przedstawione na Rys. 8. Widać, że nawet dla tych niewielkich regionów (maksymalnie 1,5% powierzchni Ziemi), systematyczny wzrost temperatur jest wyraźny, szczególnie w lecie. Jednak na większości terenów wciąż mogą zdarzać się średnie temperatury pór roku niższe od średniej z lat 1951-1980, szczególnie w zimie.
Dyskusja
Średnie temperatury pór roku w ostatnich trzech dekadach zmieniły się dramatycznie. Globalne przesunięcie rozkładu prawdopodobieństwa temperatur przekroczyło już jedno odchylenie standardowe, a nad lądami przesunięcie to jest jeszcze większe (Rys. 4). Ponadto rozkład prawdopodobieństwa temperatur rozszerza się, powodując jeszcze częstsze występowanie wyjątkowo wysokich temperatur (Rys. 4).
Temperatury pór roku zdefiniowane jako „niskie” w okresie 1951-1980 (średnia temperatura poniżej -0.43σ), które zdarzały się wtedy raz na trzy razy, wciąż występują nad lądami z prawdopodobieństwem 10%. A więc chłodne zimy nie są dowodem na brak ocieplania się klimatu. Temperatury latem są obarczone mniejszą zmiennością niż zimą, szanse na to, że letnie temperatury trafią do kategorii „ciepło” z okresu 1951-1980 wynoszą już około 80% (Rys. 7).
Kostka klimatyczna jest obecnie dociążona już w stopniu umożliwiającym spostrzegawczym osobom (żyjącym wystarczająco długo, by pamiętać klimat z okresu 1951-1980) rozpoznać istnienie zmiany klimatu.
Najważniejszą zmianą kostki klimatycznej jest pojawienie się nowej kategorii ekstremalnie gorących anomalii letnich, ze średnią temperaturą, przekraczającą tę z okresu 1951-1980 o ponad trzy odchylenia standardowe. Tak ekstremalne temperatury wcześniej właściwie się nie zdarzały, przytrafiając się średnio w roku co najwyżej na kilku promilach powierzchni lądów – jednak w ostatnich latach rozszerzyły się one na około 10% terenów lądów. Wzrost częstości występowania tych ekstremalnych anomalii, o ponad rząd wielkości, oznacza, że możemy z dużym stopniem pewności stwierdzić, że takie zdarzenia, jak ekstremalne fale upałów w rejonie Moskwy w 2010 roku czy Teksasie w 2011 roku były konsekwencją postępującego globalnego ocieplenia. Rahmstorf i Coumou[23], stosując bardziej wyrafinowane metody analizy fali upałów w Rosji, doszli do podobnych wniosków.
Nierzadko meteorolodzy odrzucają globalne ocieplenie jako przyczynę tych ekstremalnych zdarzeń, dając zamiast tego wyjaśnienia meteorologiczne. Na przykład, mówi się, że moskiewska fala upałów została wywołana przez „blokadę atmosferyczną”, a upały w Teksasie były następstwem zjawiska La Nina. Oczywiście wystąpienia rekordowych temperatur w każdym konkretnym przypadku są związane z konkretnymi wzorcami pogodowymi. Jednak blokady atmosferyczne czy La Nina miały miejsce wielokrotnie, jednak wielkie obszary ekstremalnych upałów pojawiły się dopiero w rezultacie znaczącego ocieplenia się klimatu. Dzisiejsze ekstremalne temperatury pojawiają się w wyniku równoległego działania „szczególnych wzorców pogodowych” i globalnego ocieplenia.
Wiadomości o anomaliach klimatycznych są standardowo przekazywane społeczeństwu w odniesieniu do ostatnich trzech dziesięcioleci sprzed obecnej dekady (standardowo definicja klimatu – pogoda uśredniona w okresie 30 lat). Ma to sens, jeśli interesuje nas rozpatrywanie konkretnej anomalii w kontekście warunków typowych dla ostatniego okresu, który społeczeństwo zna z doświadczenia i traktuje jako poziom odniesienia.
Rys. 9. Częstotliwość występowania (oś y) lokalnych odchyleń temperatury, podzielonych przez lokalne odchylenie standardowe (oś x) uzyskana przez zagregowanie rezultatów z okresów 11-letnich w przedziały o szerokości 0,05σ. Obszar pod każdą krzywą wynosi 100%. Okresy bazowe, od lewej do prawej, to 1951-1980, 1951-2010 i 1981-2010.
Jednak ta praktyka skutkuje „ukryciem” samej zmienności klimatu, wyraźnie postępującej w skali dziesięcioleci. Z tego powodu rekomendujemy przyjęcie okresu 1951-1980 jako stałego odniesienia dla zjawisk pogodowych. Sugerujemy też, że „małe” obserwowane ocieplenie w ostatnich trzech dekadach o 0,5°C już ma praktyczne następstwa, które staną się bardzo poważne jeśli dopuścimy do tego, aby temperatury w obecnym stuleciu wzrosły o 2°C lub więcej.
Globalna temperatura w okresie 1951-1980 pozostawała też w zakresie typowym dla Holocenu, klimat odpowiadał więc warunkom, do których dostosowała się natura i nasza cywilizacja. Z kolei, globalna temperatura w pierwszej dekadzie XXI wieku prawdopodobnie już wyszła poza przedział typowy dla Holocenu[6], na co wskazuje szybka utrata masy przed lądolody Grenlandii i Antarktydy[7],[8] i wzrost poziomu morza w tempie 3m/tysiąclecie[9], znacznie przekraczającym tempo zmian w ostatnich kilku tysiącach lat. Globalna temperatury w okresie 1951-1980, będącym najwcześniejszym okresem, dla którego mamy dobre pokrycie globu stacjami meteorologicznymi, jest najbardziej reprezentatywne dla Holocenu i klimatu do którego zaadaptowały się rośliny i zwierzęta.
Zmiany globalnej temperatury najprawdopodobniej będą miały największy praktyczny wpływ poprzez zmiany cyklu wodnego. Oczekuje się częstszego występowania gorących i suchych warunków o dużej intensywności zjawisk. Miejsca doświadczające długotrwałych okresów wysokiego ciśnienia stają się suche – związany z globalnym ociepleniem wzrost temperatur nasili wysychanie.
Drugie ekstremum cyklu wodnego, nadzwyczaj obfite opady i powodzie, również zostanie wzmocnione przez ocieplanie się klimatu. Ilość wody, która może zostać zgromadzona w atmosferze rośnie szybko wraz ze wzrostem temperatury, w cieplejszym świecie będzie więc więcej obfitych i gwałtownych opadów. To, co dotychczas uważaliśmy za zdarzenia, mogące zdarzyć się „raz na 100 lat” lub „raz na 500 lat”, będzie się zdarzać znacznie częściej. Dane opadowe już teraz pokazują znaczący wzrost przypadków szczególnie obfitych opadów nad lądami półkuli północnej i w tropikach[3], a badania wiążą te zjawiska z globalnym ociepleniem[24-26].
Chociaż ekstremalne fale upałów i rekordowe powodzie najbardziej przykuwają uwagę społeczeństwa, poważne konsekwencje dotkną też biosfery. Ekosystemy zaadaptowały się do stabilnych warunków Holocenu. Regionalne fluktuacje klimatu zdarzały się już wcześniej, jednak stały szybki trend wzrostu temperatury w ostatnich trzech dekadach, od już i tak wysokiego poziomu, jest czymś niezwykłym. Wiadomo, że cieplejsze zimy doprowadziły do epidemii korników i masowego wymierania sosen w lasach Kanady i Stanów Zjednoczonych. Oznaki stresu termicznego wykazują też inne drzewa – brzozy, dęby, jesiony czy klony. Leśnicy w każdym przypadku identyfikują bezpośrednie przyczyny słabej kondycji drzew (np. grzyb lub gąsienice), jednak dłuższe i gorętsze lata mogą być pierwotną przyczyną osłabienia drzew. Podczas upałów trzeba obecnie nawadniać gatunki drzew na terenach, na których żyły od tysięcy lat – Indianie ich nie podlewali.
Zmiana klimatu w ostatnich dekadach ma także zauważalny wpływ na zwierzęta[17, 27, 28]. Gatunki, starając się pozostać w optymalnych dla siebie warunkach klimatycznych, migrują w kierunku biegunów, jednak dalsze ocieplanie się klimatu będzie mieć poważne następstwa. Jeśli globalny wzrost temperatury do końca stulecia dojdzie do 3°C, szacuje się, że 21-52% gatunków będzie skazanych na zagładę[3].
Wciąż jeszcze możliwe są scenariusze, w których unikniemy dużego wzrostu temperatury, nakładając cenę na emisje gazów cieplarnianych, co skieruje świat na drogę czystej energii wystarczająco szybko, by ograniczyć dalsze globalne ocieplenie do kilku dziesiątych stopnia[29]. Jeśli chcemy zachować życie na Ziemi takie, jakie znamy, musimy to zrobić.
James Hansen, Makiko Sato, Reto Ruedy
Bibliografia
1. Hansen, J., et al., 2011: The case for young people and nature: A path to a healthy prosperous future. Proc. Natl. Acad. Sci.
2. Hansen, J., et al., 1988: Global climate changes as forecast by Goddard Institute for
Space Studies 3-dimensional model. Journal Of Geophysical Research – Atmospheres, 93
(D8), 9341-9364.
3. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2007: Climate Change 2007: The
Physical Science Basis, Solomon, S., et al. eds., Cambridge University Press, 996 pp.
4. Hansen, J., Ruedy, R., Sato, M., and Lo, K., 2010: Global surface temperature change.
Rev Geophys, 48 RG4004.
5. Menne, M. J., Williams, C. N., and Vose, R. S., 2009: The US Historical Climatology
Network Monthly Temperature Data, Version 2. B Am Meteorol Soc, 90, 993-1007.
6. Hansen, J. E., and M. Sato, Berger, A., Mesinger, F., and Sijacki, D., 2012: Paleoclimate implications for human-made climate change. . Springer, ~350 pp. pp.
7. Velicogna, I., 2009: Increasing rates of ice mass loss from the Greenland and Antarctic ice sheets revealed by GRACE. Geophys Res Lett, 36 L19503.
8. Rignot, E., Velicogna, I., van den Broeke, M. R., Monaghan, A., and Lenaerts, J., 2011: Acceleration of the contribution of the Greenland and Antarctic ice sheets to sea level rise. Geophys Res Lett, 38 L05503.
9. Nerem, R. S., Leuliette, E., and Cazenave, A., 2006: Present-day sea-level change: A
review. Cr Geosci, 338, 1077-1083.
10. Nigam, S., Guan, B., and Ruiz-Barradas, A., 2011: Key role of the Atlantic Multidecadal Oscillation in 20th century drought and wet periods over the Great Plains. Geophys Res Lett, 38 L16713.
11. Hoerling, M., et al., 2011: On the increased frequency of Mediterranean drought. J. Clim
12. Cook, B. I., Miller, R. L., and Seager, R., 2009: Amplification of the North American
„Dust Bowl” drought through human-induced land degradation. Proc. Natl. Acad. Sci.,
106, 4997-5001.
13. Cook, B. I., Terando, A., and Steiner, A., 2010: Ecological forecasting under climatic data uncertainty: a case study in phenological modeling. Environ Res Lett, 5.
14. Cook, B. I., Puma, M. J., and Krakauer, N. Y., 2011: Irrigation induced surface cooling in the context of modern and increased greenhouse gas forcing. Clim Dynam, 37, 1587-
1600.
15. Puma, M. J. and Cook, B. I., 2010: Effects of irrigation on global climate during the 20th century. J Geophys Res-Atmos, 115 D16120.
16. Held, I. M. and Soden, B. J., 2006: Robust responses of the hydrological cycle to global warming. J. Clim., 19, 5686-5699.
17. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), 2007: Climate Change 2007, Impacts, Adaptation and Vulnerability, M.L. Parry, E. A. ed., Cambridge Univ Press, 996 pp.
18. Seidel, D. J., Fu, Q., Randel, W. J., and Reichler, T. J., 2008: Widening of the tropical belt in a changing climate. Nature Geosci, 1, 21-24.
19. Davis, S. M. and Rosenlof, K. H. (2011) A multi-diagnostic intercomparison of tropical width time series using reanalyses and satellite observations. in J. Clim.
20. Barnett, T. P., et al., 2008: Human-induced changes in the hydrology of the western
United States. Science, 319, 1080-1083.
21. Levi, B. G., 2008: Trends in the hydrology of the western US bear the imprint of manmade climate change. Phys. Today, 61, 16-18.
22. Westerling, A. L., Hidalgo, H. G., Cayan, D. R., and Swetnam, T. W., 2006: Warming and earlier spring increase western US forest wildfire activity. Science, 313, 940-943.
23. Rahmstorf, S. and Coumou, D., 2011: Increase of extreme events in a warming world.
Proc. Natl. Acad. Sci., 108, 17905-17909.
24. Allan, R. P. and Soden, B. J., 2008: Atmospheric warming and the amplification of precipitation extremes. Science, 321, 1481-1484, <Go>://000259121800038.
25. Pall, P., et al., 2011: Anthropogenic greenhouse gas contribution to flood risk in England and Wales in autumn 2000. Nature, 470 (7334), 382-385.
26. Min, S. K., Zhang, X. B., Zwiers, F. W., and Hegerl, G. C., 2011: Human contribution to more-intense precipitation extremes. Nature, 470 (7334), 378-381.
27. Parmesan, C., 2006: Ecological and evolutionary responses to recent climate change.
Annu Rev Ecol Evol S, 37, 637-669.
28. Hansen, J., 2006: The threat to the planet. New York Rev. Books, 53, 12-16.
29. Hansen, J., et al., 2012 (to be submitted): The Case for Young People and Nature: A Path to a Healthy Prosperous Future. Proc. Natl. Acad. Sci.
