Näkökulma ISCCP:n ongelmiin

Tämä artikkeli on julkaistu alunperin AGW Observer -blogissa englanninkielisenä ja se julkaistaan tässä suomennettuna muutamien lisäyksien/muutosten kera.

International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) tekee globaalin pilvipeitteen mittauksia. Projektin verkkosivuilla on johdanto aiheeseen (katso myös Rossow & Schiffer, 1991 saadaksesi peruskuvauksen ISCCP:n pilvimittaussarjoista). ISCCP:llä on pisin satelliittipohjainen globaalin pilvipeitteen mittaussarja. ISCCP:n data on ollut laajassa käytössä pilvipeitteen muutoksien tutkimuksissa. Esimerkiksi Pallé et al. (2004) ovat käyttäneet ISCCP:n dataa maapallon heijastavuuden määrittelyssä. Kuvassa 1 esitetään globaalin pilvipeitteen muutokset ISCCP:n datassa ja siellä näemme, että globaali pilvipeite näyttää vähenneen melko voimakkaasti noin vuosien 1987 ja 2000 välillä.


Kuva 1. Globaalin pilvipeitteen muutokset prosentteina ISCCP:n datassa. (Kuva ladataan ISCCP:n verkkosivulta.)

Tässä on pari muuta esimerkkiä tutkimusartikkeleista, joissa käytetään ISCCP:n dataa pilvipeitteen tutkimuksissa:

Pinker et al. (2005):

Auringon säteilyn pitkäaikaiset vaihtelut maan pinnalla (S) voivat vaikuttaa ilmastoomme, veden kiertoon, kasvien yhteyttämiseen ja aurinkovoimaan. … Tässä esitämme globaaleja ajallisia vaihteluita S:ssä käyttäen pisintä saatavilla olevaa satelliittimittaussarjaa. Havaitsimme S:ssä vuosien 1983 ja 2001 välillä kokonaiskasvun, joka on suuruudeltaan 0,16 wattia per neliömetri (0,10 %) vuodessa; tämä muutos on yhdistelmä noin vuoteen 1990 asti jatkuneesta laskusta, jota seurasi pysyvä nousu. Globaalilla skaalalla löydökset ovat yhteneviä viimeaikaisten riippumattomien satelliittihavaintojen kanssa, mutta poikkeavat aiemmin raportoiduista maanpinnalta tehdyistä havainnoista. Toisin kuin maan pinnalta tehdyt havainnot, satelliitit pystyvät ottamaan näytteitä tasaisesti koko maapallolta.

Hatzianastassiou et al. (2005):

Kuukausittainen keskimääräinen lyhytaaltoisen (SW) säteilyn budjetti maan pinnalla (SRB) laskettiin leveys- ja pituuspiirien 2,5 asteen resoluutiolla 17 vuoden jaksolle vuosien 1984 ja 2000 välillä käyttäen säteilynsiirtomallia, jossa oli huomioitu tärkeimmät SRB:hen vaikuttavat parametrit, ja pitkän ajan ilmastodata International Satellite Cloud Climatology Projektista (ISCCP-D2). … DSR:n [alaspäin tulevan lyhytaaltoisen säteilyn, eli auringonvalon] ja netto DSR:n vuossa havaittiin merkittävät nousevat trendit, jotka olivat 4,1 ja 3,7 W m−2 (siinä järjestyksessä) vuosien 1984–2000 aikana (joka vastaa 2,4 ja 2,2 W m−2 per vuosikymmen), mikä indikoi kasvavaa Auringon säteilyn lämmitystä pinnalla. … Auringon lämmitysvaikutus maanpinnalla tapahtuu pääasiassa ajanjaksolla alkaen 1990-luvun alkupuolelta, joka on yleensä raportoidun 1980-luvun loppupuolelta alkavan DSR:n laskevan trendin vastainen, joka myös näkyy tutkimuksessamme.

Globaalin pilvipeitteen näennäistä vähenemistä on myös käytetty argumenttinä ihmisen aiheuttamaa ilmaston lämpenemistä vastaan (mutta pääasiassa tieteellisen kirjallisuuden ulkopuolella). Kun näiden argumenttien lähteitä tarkastellaan, melkein poikkeuksetta törmätään siihen, että ISCCP:n pilvipeitedataa on käytetty lähteenä. Esimerkiksi minulle on joskus tarjottu artikkelia Fotiadi et al. (2005) todisteena siitä, että pilvet ovat aiheuttaneet ilmaston lämpenemisen kasvihuonekaasujen sijasta. Kyseisessä artikkelissa käytetään ISCCP:n dataa. Seuraavassa näytän miksi on väärin väittää globaalissa pilvipeitteessä olleen merkittäviä muutoksia ISCCP:n dataan nojautuen.

Ongelmallinen satelliittien katselukulma

Norris (2000) etsi epäilyttäviä kuvioita ISCCP:n pilvidatan maantieteellisestä jakaumasta ja löysi joitakin:

Silmiinpistävin piirre kuvassa 2 on pyöreä positiivisen korrelaation alue, jonka keskipiste on 0°N, 0°E. Ei vaikuta todennäköiseltä, että luonnollinen prosessi synnyttäisi niin säännöllisen kuvion, mutta on mielenkiintoista havaita, että kuvio muistuttaa melkein täsmälleen ISCCP:n dataan yhdistettyä Meteosatin datan aluetta (Meteosat on Euroopan geostationaarinen satelliitti).

Norris teki johtopäätöksen:

Kuvassa 1 esitetty ISCCP:n pilvipeitteen aikasarja on todennäköisesti väärä ja mikä tahansa samankaltaisuus jonkin toisen parametrin aikasarjan kanssa (esim. Marsh ja Svensmark, 2000) on vain sattumaa.

Campbell (2004) näytti kuvia samasta ongelmasta. Campbell yksinkertaisesti näytti pilvisyyden maailmankartalla tietyllä ajanjaksolla ja sanoi, että kartoissa näkyi selviä ”saumoja”. Campbell huomautti:

Laadullisesti on epäiltävissä, että eri katselukulmat vaikuttavat tuloksiin.

Sen jälkeen Campbell näytti kuvaajan, jossa yhden leveysasteen pilvisyys ja satelliittien sijainnit oli merkitty kuvaajaan. Pilvisyys selvästi kasvoi kauempana satelliittien sijainneista, joten pilvisyys näytti kasvavan satelliittien katselukulman mukaan. Campbell yritti myös kvantifioida efektin; pilvisyys-data jaettiin eri osiin katselukulman mukaan ja kullekin osalle laskettiin keskimääräinen pilvisyys. Tuloksena oleva kuvaaja näyttää melkein lineaarisen pilvisyyden kasvun satelliittien katselukulman kasvaessa. Campbell esitti löydöksensä myös yhtälön muodossa, joka esittää pilvisyyden riippuvuussuhdetta satelliittien katselukulmaan ISCCP:n datassa.

Niinpä Campbell oli osoittanut, että mitatun pilvisyyden määrä ISCCP:n datassa oli suurempi kun satelliittien katselukulma oli suurempi. Seuraavaksi Campbell alkoi tarkastella pilvisyyden trendejä. Campbell huomautti tärkeästä asiasta:

Kun ISCCP:n projekti eteni, eri määrä satelliitteja oli käytettävissä. Tällä oli se odottamaton vaikutus, että satelliittien keskimääräinen katselukulma muuttui ajan myötä, kun datasettiä koottiin.

Osoittautui, että satelliittien lukumäärä kasvoi ja se puolestaan vähensi keskimääräistä satelliittien katselukulmaa. Koska suurempi katselukulma tarkoittaa enemmän pilvisyyttä, vähenevä keskimääräinen katselukulma vähentää mitatun pilvisyyden määrää. Campbell osoitti, että se on todellakin tapahtunut ISCCP:n datassa ja tuloksena on se, että yllämainittu pitkäaikainen laskeva trendi ISCCP:n pilvidatassa näyttää olevan satelliittien katselukulman aiheuttama häiriö. Seuraavaksi Campbell kokeili tehdä korjausta esittämäänsä katselukulman riippuvuuden yhtälöön perustuen. Tulos näyttää vielä vähenevää trendiä, mutta huomattavasti pienempänä kuin ilman korjausta. Korjattu kartta kuitenkin näytti vielä joitakin ”saumoja”, joten korjaus oli vain karkea ja Campbell epäilikin eräiden vielä olemassaolevien kalibrointiongelmien vaikuttavan tuloksiin. Campbell teki johtopäätöksen:

Merkittävä osa ISCCP:n trendistä on peräisin katselukulman järjestelmällisistä muutoksista data-analyysin 18 vuoden aikana. Pelkästään AVHRR:n datan analyysissä pilvisyyden kasvu jyrkemmillä katselukulmilla on ilmeinen.

Pallé (2005) huomasi myös, että ISCCP:n datassa saattoi olla katselukulmaongelmia. Campbell (2006) jatkoi korjauksen kehittelyä ISCCP:n katselukulmaongelmaan, samalla kun käsitteli muita ongelmia (joitakin päivittäiseen vaihteluun liittyviä korjauksia). Korjauksien jälkeen pilvidatassa ei ollut paljon trendejä jäljellä. Campbell kuitenkin huomasi, että datassa oli edelleen epäjatkuvuuskohta:

Mutta kaikissa pilvimäärän aikasarjoissa on selvä epäjatkuvuuskohta lokakuussa 2001, kun NOAA 16 AVHRR -data vaihdettiin NOAA 14 -datan tilalle.

Evan et al. (2007) tutkivat myös katselukulmaongelmaa. Ensin he mainitsivat kuinka ISCCP:n dataa oli käytetty, mainiten useimmat yllämainituista tutkimuksista ja he sanoivat:

Näitä pilvisyystrendejä ei kuitenkaan ole havaittu maanpinnan mittauksissa [Norris, 2005] eikä muissa satelliittimittaussarjoissa [Jacobowitz et al., 2003; Wylie et al., 2005].

Kuvassaan 2 Evan ja kumppanit esittivät samanlaisen kartan kuin Norris ja Campbell olivat näyttäneet aikaisemmin, jossa näkyi katselukulman ongelmiin viittaavat pyöreät alueet. He sanoivat:

Nämä ympyrät vastaavat niinkutsuttuja geostationaarisia ”jalanjälkiä”, jotka kuvaavat kunkin satelliitin havainnoimaa aluetta. Näiden jalanjälkien keskustassa satelliitin anturin katselukulma on kohtisuorassa maanpintaan nähden vastaten nollan asteen zeniittikulmaa satelliitille. Jalanjäljen reunoilla satelliitin zeniittikulma on paljon suurempi ja vastaa pidempää matkaa ilmakehän läpi, jonka valon täytyy kulkea ennen kuin se havaitaan anturissa.

Seuraavaksi he suorittivat testin, jossa he muodostivat ISCCP:n datasta kaksi eri mittaussarjaa; toisessa sarjassa on suuremmat katselukulmat ja toisessa pienemmät. Osoittautui, että suuren katselukulman mittaussarjassa (musta yhtenäinen viiva heidän kuvassa 3) näkyi paljon voimakkaampi väheneminen pilvisyydessä kuin pienen katselukulman mittaussarjassa (musta katkoviiva kuvassa 3). He myös näyttivät kuinka katselukulman muutokset ajan myötä (harmaa yhtenäinen viiva kuvassa 3) täsmäsivät erittäin hyvin pilvisyyden hyppäyksenomaisten muutosten kanssa (vertaa mustaa ja harmaata yhtenäistä viivaa kuvassa 3). Lisäksi he listasivat joitakin tapahtumia satelliittiverkostossa (uusien satelliittien laukaisuja, satelliittien uudelleensijoitteluja jne.), jotka olisivat saattaneet vaikuttaa dataan. Listatut tapahtumat täsmäsivät datassa oleviin hyppäyksenomaisiin muutoksiin melko hyvin. Yksi sellainen tapahtuma oli vuonna 2001 tapahtunut muutos. Tämä muutos näyttää liittyvän vertailusatelliitin vaihtoon (Knapp, 2008).

Evan ja kumppanit näyttivät sitten esimerkin eräästä yksittäisestä suuren katselukulman paikasta, jossa oli tunnettu satelliittiverkoston muutos. He näyttivät kuinka pilvisyysdata kyseisellä paikalla muuttui selvästi hyppäyksenomaisesti satelliittiverkoston muutoksen aikana (kts. heidän kuva 4), kun taas läheinen pienen katselukulman alue näytti samanaikaisesti muuttumatonta pilvisyyttä. Artikkelinsa lopuksi, Evan ja kumppanit ehdottivat joitakin toimia, joilla ongelman voisi korjata.

Berthier et al. (2008) löysivät ISCCP:n datasta myös joitakin mahdollisia ongelmia:

LITEstä kehitetyn CTH:n [cloud top height, eli pilvien yläosan korkeus] vertailu ISCCP:n (International Satellite Cloud Climatology Project) pilvidataan kahden viikon ajalla vuonna 1994 osoittaa, että mitattu pilvien osuus on avaruuteen sijoitetulla lidar-mittalaitteella paljon suurempi kuin ISCCP:llä mitattu. Toinen tärkeä tulos on se, että ISCCP:llä on taipumus aliarvioida CTH optisesti ohuiden cirruspilvien tapauksessa.

Heidän mielestään katselukulman ongelma oli yksi mahdollinen lähde heidän havaitsemille eroille. Norris (2008) käsitteli myös katselukulman ongelmaa lyhyesti.

Johtopäätökset

Näyttää siltä, että Norrisin, Campbellin, and Evanin kumppaneineen tekemät havainnot ISCCP:n satelliittien katselukulman aiheuttamasta (satelliittiverkoston muutoksien aiheuttamien katselukulman muutoksien välityksellä) väärästä pilvisyystrendistä on todellinen ongelma. Mielestäni he ovat osoittaneet sen niin, ettei epäilylle juuri jää sijaa. ISCCP:n verkkosivuilla listataan tunnetut ja korjatut virheet ISCCP:n datassa, mutta tästä ongelmasta siellä ei ole mainintaa.

Monet tutkimukset ovat tehneet pilvisyyteen liittyviä johtopäätöksiä ISCCP:n datan näyttämään laskevaan trendiin nojautuen, mutta kaikkia sellaisia tutkimuksia täytyy epäillä, koska ISCCP:n trendi ei ainakaan kokonaan ole oikea. Lisäksi ISCCP:n pilvisyyden mittaussarja on pisin satelliittimittaussarja, joka meillä on asiaan liittyen, joten olisi tärkeää saada virallinen korjaus tähän ongelmaan. Kun trendi korjataan, saattaa löytyä mielenkiintoisia asioita, kuten nähdään tutkimuksesta Clement et al. (2009), jotka tekivät ongelmaan liittyvän korjauksen ja löysivät todisteita pilvien positiivisesta takaisinkytkennästä. Pitkäaikaisena mittaussarjana ISCCP:n data olisi juuri sopiva tämänkaltaisiin tutkimuksiin.

Kiitos Timolle kommenteista.

Lähteet

Berthier, S., Chazette, P., Pelon, J., Baum, B., 2008, ”Comparison of cloud statistics from spaceborne lidar systems”, Atmos. Chem. Phys., 8, 6965-6977, 2008, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Campbell, G. Garrett, 2004, ”View angle dependence of cloudiness and the trend in ISCCP cloudiness”, 13th Conference on Satellite Meteorology and Oceanography, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Campbell, G. Garrett, 2006, ”Diurnal and Angular Variability of Cloud Detection: Consistency Between Polar and Geosynchronous ISCCP Products”, 14th Conference on Satellite Meteorology and Oceanography, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Clement, Amy C., Burgman, Robert, Norris, Joel R., 2009, ”Observational and Model Evidence for Positive Low-Level Cloud Feedback”, Science 24 July 2009, Vol. 325. no. 5939, pp. 460 – 464, DOI: 10.1126/science.1171255, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Evan, Amato T., Heidinger, Andrew K., Vimont, Daniel J., 2007, ”Arguments against a physical long-term trend in global ISCCP cloud amounts”, Geophys. Res. Lett., 34, L04701, doi:10.1029/2006GL028083, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Fotiadi, A., Hatzianastassiou, N., Matsoukas, C., Pavlakis, K. G., Drakakis, E., Hatzidimitriou, D., and Vardavas, I.: Analysis of the decrease in the tropical mean outgoing shortwave radiation at the top of atmosphere for the period 1984-2000, Atmos. Chem. Phys., 5, 1721-1730, 2005, [tiivistelmä, koko artikkeli].

Hatzianastassiou, N., Matsoukas, C., Fotiadi, A. Pavlakis, K. G., Drakakis, E., Hatzidimitriou, D., Vardavas, I., 2005, ”Global distribution of Earth’s surface shortwave radiation budget”, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 5, 4545-4597, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Knapp, Kenneth R., 2008, ”Calibration Assessment of ISCCP Geostationary Infrared Observations Using HIRS”, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Volume 25, Issue 2 (February 2008), DOI: 10.1175/2007JTECHA910.1, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Norris, Joel R., 2000, ”What Can Cloud Observations Tell Us About Climate Variability?”, Space Science Reviews, Volume 94, Numbers 1-2 / November, 2000, DOI 10.1023/A:1026704314326, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Norris, J. R., 2008, ”Observed Interdecadal Changes in Cloudiness: Real or Spurious?”, Advances in Global Change Research, 33, DOI 10.1007/978-1-4020-6766-2, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Pallé, E., Goode, P. R., Montañés-Rodríguez, P., Koonin, S. E., 2004, ”Changes in Earth’s Reflectance over the Past Two Decades”, Science 28 May 2004, Vol. 304. no. 5675, pp. 1299 – 1301, DOI: 10.1126/science.1094070, [tiivistelmä, koko artikkeli]

Pallé, E., 2005, ”Possible satellite perspective effects on the reported correlations between solar activity and clouds”, Geophys. Res. Lett., 32, L03802, doi:10.1029/2004GL021167, [tiivistelmä, [koko artikkeli]

Pinker, R. T., Zhang, B., Dutton, E. G., 2005, ”Do Satellites Detect Trends in Surface Solar Radiation?”, Science 6 May 2005, Vol. 308. no. 5723, pp. 850 – 854, DOI: 10.1126/science.1103159 [tiivistelmä]

Rossow, William B., Schiffer, Robert A., 1991, ”ISCCP Cloud Data Products”, Bulletin of the American Meteorological Society, Volume 72, Issue 1 (January 1991), DOI: 10.1175/1520-0477(1991)0722.0.CO;2 [tiivistelmä]

Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: