Human impacts on the 2015 equatorial Asia drought: the role of air-sea coupling in the event attribution study

Wanneer wetenschappers proberen te begrijpen waarom een specifieke extreme weersgebeurtenis heeft plaatsgevonden, stellen ze vaak een eenvoudige maar diepzinnige vraag: hoeveel heeft door de mens veroorzaakte klimaatverandering deze gebeurtenis waarschijnlijker gemaakt? Dit vakgebied, bekend als event attribution (gebeurtenis-toeschrijving), steunt op het draaien van complexe computermodellen van de aarde. Om een antwoord te krijgen, draaien onderzoekers doorgaans twee sets simulaties. Eén set bootst de wereld na zoals die vandaag de dag is, met alle broeikasgassen die de mens heeft uitgestoten. De andere set stelt een "contrafactuele" wereld voor waarin die emissies nooit hebben plaatsgevonden, wat een basislijn vormt van de natuurlijke klimaatvariabiliteit. Door te vergelijken hoe vaak een specifieke ramp, zoals een ernstige droogte, voorkomt in deze twee verschillende werelden, kunnen wetenschappers de menselijke bijdrage aan het risico van de gebeurtenis berekenen.

De aarde is echter een systeem waarbij de atmosfeer en de oceaan in een constante, dynamische dialoog met elkaar verbonden zijn. De temperatuur van het zeeoppervlak beïnvloedt de lucht erboven, en de wind en regen koelen of verwarmen op hun beurt de oceaan. Voor vele jaren gebruikten onderzoekers vaak een vereenvoudigd type model voor deze attributiestudies. Deze modellen behandelen de oceaan als een statisch decor, waarbij ze de atmosfeer een vaste temperatuurkaart voeden zonder de mogelijkheid te bieden dat de atmosfeer de oceaan in ruil daarvoor verandert. Hoewel deze aanpak tijd en rekenkracht bespaart, negeert het de twee-richtingsfeedback die veel van ons weer aandrijft. De vraag blijft: maakt het ontbreken van dit gesprek uit wanneer we proberen de oorzaken van een specifieke ramp vast te pinnen?

Een team van onderzoekers onder leiding van Akira Hasegawa aan de Universiteit van Tokio zette zich af tegen dit idee door de ernstige droogte te testen die tijdens het droge seizoen van 2015 de evenaarregio van Azië trof. Dat jaar was er een massaal El Niño-evenement, gekenmerkt door ongewoon warme oceaanwateren in de centrale Stille Oceaan, wat de wereldwijde windpatronen die normaal gesproken regen naar de regio brengen, verzwakte. Het resultaat was een verwoestend gebrek aan neerslag. De onderzoekers wilden weten of de standaard, vereenvoudigde modellen een accuraat beeld gaven van hoeveel menselijke opwarming bijdroeg aan deze droge periode, of dat de ontbrekende oceaanfeedback de resultaten vertekende.

Om het antwoord te vinden, draaide het team twee verschillende soorten grootschalige computerexperimenten. Het eerste type gebruikte een volledig gekoppeld model, waarbij de atmosfeer en de oceaan vrij met elkaar konden interageren door warmte en vocht uit te wisselen, precies zoals ze dat in de werkelijkheid doen. Het tweede type gebruikte een atmosfeer-alleen model, waarbij de oceaan gedwongen werd exact hetzelfde te blijven als in het eerste experiment, niet in staat om te reageren op de veranderende winden en wolken erboven. Beide sets simulaties werden uitgevoerd onder twee scenario's: één die de werkelijke historische omstandigheden van 2015 weerspiegelde, en een andere die een wereld zonder door de mens veroorzaakte opwarming vertegenwoordigde. Door de uitkomsten van deze vier verschillende simulatiegroepen te vergelijken, konden de onderzoekers de specifieke impact van de lucht-zee-interactie op hun conclusies isoleren.

De resultaten onthulden een aanzienlijk gebrek in de vereenvoudigde aanpak. In de atmosfeer-alleen simulaties ontwikkelde het model een hardnekkige bias: het overschatte de opwaartse beweging van lucht boven de Filipijnse Zee, een regio ten noorden van het getroffen gebied. In de echte wereld en in het volledig gekoppelde model reageert de oceaan op deze stijgende lucht door het oppervlak af te koelen, wat de kracht van die opwaartse beweging van nature beperkt. Maar omdat het vereenvoudigde model de oceaan niet kon laten afkoelen, bleef de lucht ongecontroleerd stijgen. Deze excessieve opwaartse beweging in het noorden dwong een compenserende neerwaartse beweging boven de evenaarregio van Azië af, waardoor de regio in het model veel droger leek dan hij in werkelijkheid is.

Deze kunstmatige droogte had een direct en misleidend effect op de attributieresultaten. Omdat het vereenvoudigde model begon met een klimaat dat al te droog was, leek de droogte van 2015 minder extreem in vergelijking daarmee. In statistische termen berekende het model dat de kans op een dergelijk droog evenement in een wereld zonder menselijke opwarming zeer klein was. Wanneer de waarschijnlijkheid van een gebeurtenis in een "wereld zonder opwarming" laag is en de gebeurtenis toch plaatsvindt in de echte wereld, suggereert de wiskunde dat de menselijke invloed zeer groot moet zijn. Bijgevolg schatte het atmosfeer-alleen model dat menselijke activiteit verantwoordelijk was voor ongeveer 44 procent van het risico van de droogte van 2015.

In contrast hiermee schetste het volledig gekoppelde model, dat de oceaan liet ademen en reageren, een ander beeld. Door de koelende feedback over de Filipijnse Zee correct te simuleren, produceerde het een nauwkeuriger basisklimaat dat niet kunstmatig droog was. In deze realistischere simulatie was de droogte van ही 2015 nog steeds een zeldzame gebeurtenis, maar het was niet zo zeldzaam als het vereenvoudigde model suggereerde. De berekende menselijke bijdrage aan het risico daalde aanzienlijk naar ongeveer 20 procent. De studie suggereert dat door de oceaan te negeren in haar vermogen om te reageren op de atmosfeer, de vereenvoudigde modellen de rol van menselijke opwarming bij deze specifieke ramp met meer dan een verdubbeling hebben overschat.

De onderzoekers ontdekten dat hoewel beide modellen correct identificeerden dat het El Niño-evenement de primaire drijfveer van de droogte was, het vereenvoudigde model er niet in slaagde de natuurlijke variabiliteit van het klimaat in de regio vast te leggen. De atmosfeer-alleen simulaties konden de complexe relatie tussen zeetemperatuur en neerslag, die bestaat in de echte wereld, niet reproduceren, vooral in gebieden die omgeven zijn door de oceaan zoals de evenaarregio van Azië. Dit leidde tot een systematische fout waarbij het model de waarschijnlijkheid van ernstige droogtes die natuurlijk voorkomen, onderschatte, wat op zijn beurt de berekende impact van klimaatverandering opblas.

Dit werk verwerpt niet de waarde van vereenvoudigde modellen, die nog steeds nuttig zijn voor veel soorten klimaatonderzoek. Het benadrukt echter een cruciale beperking bij het bestuderen van extreme gebeurtenissen in regio's waar de oceaan en de atmosfeer nauw met elkaar verbonden zijn. De studie suggereert dat voor gebeurtenissen zoals de droogte in de evenaarregio van Azië in 2015, het uitsluitend vertrouwen op modellen die de oceaan als een passief podium behandelen, kan leiden tot een overschatting van de menselijke invloed. De bevindingen wijzen erop dat om echt de vingerafdrukken van klimaatverandering op specifieke rampen te begrijpen, wetenschappers rekening moeten houden met de volledige, twee-richtings conversatie tussen de zee en de lucht.