Thomas Karl – luento NOAAn pintalämpötila-analyysistä

Hiljattain AMS Policy Programmin luennoitsijana oli Thomas Karl, joka puhui NOAAn pintalämpötila-analyysistä. Aiheena oli erityisesti globaali ja USAn pintalämpötila, sen analysoiminen ja analyysin ongelmat ratkaisuineen.


Globaali lämpötilapoikkeama NOAAn analyysistä.

NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) on Yhdysvaltain kansallinen meriin ja ilmakehään liittyvien tieteiden hallintoelin. Thomas Karl on NOAAn National Climatic Data Centerin (NCDC) johtaja. NOAAn NCDC on yksi muutamasta globaalin pintalämpötila-analysin tarjoavasta tahosta. NOAAn pintalämpötila-analyysiä ovat Karlin kanssa tehneet David Easterling ja Thomas Peterson. NOAAn data ja menetelmät ovat julkisesti kaikkien saatavissa ja arvioitavissa.

Maailmassa on kolme globaalia maapallon pintalämpötila-analyysiä (joskus mukana on myös neljäs, venäläinen analyysi, joka kuitenkin on vain maa-asemien analyysi ja lisäksi on myös japanilainen analyysi, mutta Karl ei sitä maininnut). Näiden kolmen erot ovat suurimmillaan vanhimman datan osalta. Vanhimpaan dataan liittyy suurimmat epävarmuudet, joten suurimpien erojen löytyminen sieltä ei ole yllätys. Kaikissa kolmessa analyysissä on erilaiset korjaukset ja muutenkin erilainen analyysi, mutta silti kaikki kolme tuottavat melko samanlaisen lopputuloksen.

Tutkittaessa globaalia pintalämpötila-analyysiä ja erityisesti maa- ja merilämpötiloja erikseen, huomataan maalämpötilojen vaihtelevan paljon enemmän. Merien lämpötila nousee paljon tasaisemmin ja lisäksi merien lämpötilat seuraavat maanpinnan lämpötilaa parilla kymmenesosa-asteella per vuosisata. Tämä johtuu melko varmasti merien suuremmasta lämpökapasiteetista.

Lämpötilapoikkeamien maantieteellinen jakauma paljastaa, että pohjoisessa on voimakkaan lämpenemisen alueita, mutta vielä on alueita, joissa näkyy viilenemistä. Tälläinen alue on esimerkiksi Kaakkois-USA. Kaakkois-USAn tilanteen on ehdotettu johtuvan aerosolien, erityisesti rikkiyhdisteiden, viilentävästä vaikutuksesta. Suurin osa maailmasta joka tapauksessa lämpenee.

On silti esitetty väitteitä, että lämpeneminen on pysähtynyt. Tämä ei Karlin mukaan pidä paikkaansa. Pidemmällä aikavälillä näkyy lämpenevä trendi. Kaksi viimeistä vuosikymmentä ovat olleet aiempia lämpimämpiä ja viimeisin vuosikymmen on ollut lämpimämpi kuin sitä edeltävä vuosikymmen. Kaikki vuosikeskiarvot 2000-luvulla ovat olleet korkeampia kuin 1990-luvun keskiarvo ja 1990-luvun kaikki yksittäiset vuosikeskiarvot olivat myös korkeampia kuin 1980-luvun keskiarvo (ja vaikka Karl ei sitä mainitse, hänen kuvaajastaan nähdään, että myös 1980-luvun kaikki yksittäiset vuosikeskiarvot olivat 1970-luvun keskiarvon yläpuolella).


Yhden vuoden keskiarvot (mustat pisteet) ja vuosikymmenien keskiarvot (punainen viiva) NOAAn analyysissä. Vuoden 1979 jälkeen kaikki vuosiarvot ovat edellisen vuosikymmenen keskiarvon (punainen katkoviiva) yläpuolella. Oikeassa alakulmassa on vuosikymmenien keskiarvot annettu numeroarvoina (keskimmäinen sarake) ja niiden erotus edellisen vuosikymmenen keskiarvoon on oikeanpuolimmaisessa sarakkeessa.

Yhdysvalloissa tehdyista lämpötilamittauksista on koostettu USHCN-verkosto (United States Historical Climatology Network), johon on valittu 1200 mittausasemaa sen perusteella, että niistä löytyy mittauksia pitkältä ajalta. Asemilla on tapahtunut aikojen kuluessa paljon muutoksia. Joidenkin asemien mittauslaitteistot ovat vaihtuneet. Joidenkin asemien sijainti on vaihtunut. Kaupunkilämpösaareke on vaikuttanut joihinkin asemiin. Joitakin asemia on hoidettu paremmin kuin toisia ja joidenkin asemien ympäristössä on tapahtunut muutoksia. Näistä syistä kaikki asemat eivät ole enää ideaalisia ilmastonmuutoksen mittaamiseen. Sellaisia asemia on arvioitava huolellisesti ja mahdollisuuksien mukaan tehtävä korjauksia niiden mittaussarjoihin, jotta niitä voidaan käyttää analyysissä. Karl esittelee erään esimerkin, jossa tietyn aseman sijainti on muuttunut aikojen saatossa monta kertaa. Hän näyttää alkuperäiset mittaukset ja kuinka sarja on muuttunut korjausten jälkeen.

Globaalissa analyysissä (GHCN, Global Historical Climatology Network) on 7280 asemaa joista 4400:aa (kaikki asemat joissa yli 25 vuotta dataa) käytetään globaaliin analyysiin. GHCN:stä on tulossa uusi versio (versio 3) pian. Uudessa versiossa on ensimmäistä kertaa käytössä täsmälleen sama analyysi kuin USHCN:ssä. Karlin mukaan NOAAn ulkopuoliset tahot ovat testanneet uudessa versiossa käytetyt menetelmät. Uudessa versiossa tyhjät alueet (joissa ei ole mittausasemia) täytetään algoritmilla, jossa hyödynnetään läheisten asemien menneitä riippuvuussuhteita samanlaisten lämpötilanmuutosten yhteydessä. Uudessa versiossa maapallo lämpenee hiukan enemmän kuin nykyisessä versiossa.

Lämpötila-analyysin tulokset annetaan lämpötilan poikkeamina (”anomalioina”) todellisen lämpötilalukeman sijasta. Todellisten lämpötilalukemien käyttöön liittyy ongelmia. Esimerkiksi mittausasemat sijaitsevat eri korkeuksilla merenpinnasta ja aseman korkeus merenpinnasta vaikuttaa huomattavasti mitattuun lämpötilaan. Kun asemia poistuu mittausverkostosta, verkoston asemien korkeusjakauma muuttuu, jolloin lopputulokseen voi tulla vääristymiä. Kun käytetään lämpötilan poikkeamaa keskiarvosta, asemien poistuminen mittausverkostosta ei vaikuta lopputulokseen samalla tavalla.

Myös asemien sijainti pohjois-eteläsuunnassa aikaansaa vaikutuksen, joka näkyy todellisissa lämpötilalukemissa, muttei vaikuta lämpötilapoikkeamiin. Jos esimerkiksi hyvin pohjoisessa, kylmillä alueilla sijaitsevia asemia poistuu paljon verkostosta, lämpötilan keskiarvo nousee kylmien asemien vähentyessä. Tälläinen ei kuitenkaan vaikuta lämpötilapoikkeamiin. Lisäksi lämpötilapoikkeamat keskiarvoistetaan pinta-alan suhteen, eikä lasketa yksinkertaisina keskiarvoina. Oikeastaan pohjoisten asemien poistuminen aikaansaa viilenevän vaikutuksen poikkeamia käytettäessä, koska pohjoisessa on lämmennyt eniten ja siksi pohjoisten asemien poistuessa analyysistä itse asiassa poistuukin eniten lämmenneitä asemia.

Mittausasemien määrä onkin vähentynyt voimakkaasti viimeisten vuosikymmenien aikana. Tietyt tahot ovat väittäneet sen aiheuttavan vääristymiä analyysiin. Kun vertaillaan tänä päivänä mittaavia asemia (n. 2300 kpl) koko verkkoon, ei tuloksessa ole juuri mitään eroa. Tämä tarkoittaa sitä, että asemien poistuminen analyysistä ei vaikuta lopputulokseen. Tämä on juuri poikkeamien käyttämisen ja pinta-alan suhteen keskiarvoistamisen ansiota. Asemia ei oikeastaan tarvita paljoa globaaliin analyysiin. Haluamme paljon asemia oikeastaan vain siksi, että haluamme tietää myös pienessä mittakaavassa tapahtuvia asioita (näistä on esimerkiksi hyötyä asemien korjauksia määritettäessä).

Lämpötilojen havaintoaika aiheuttaa myös ongelman analyysille. Aikaisin aamulla lämpötila on yleensä paljon alhaisempi kuin iltapäivällä. Jos jonkin aseman havaintoaika muuttuu vaikkapa aamusta iltapäivään, se aiheuttaa lämpenemisvääristymän kyseisen aseman mittaussarjaan. Tämä asia on aiheuttanut näennäisen kaupunkilämpösaarekevaikutuksen. Havaintoaikavääristymää ei nimittäin oikeastaan ole kaupunkiasemilla, joissa havaintoja on tehty hyvin täsmällisesti aina samaan aikaan vuorokaudesta, kun taas maaseudulla havaintoajat ovat muuttuneet. Muutos on yleensä vieläpä tapahtunut iltapäivästä aamuun. Tämä aiheuttaa viilentävän vääristymän maaseudun mittausasemien dataan. Niinpä havaintoaikavääristymän korjaus on tehtävä ennen kuin tarkastellaan kaupunkilämpösaarekkeen vaikutusta. Karl esittääkin vertailun kaupunkien ja maaseudun asemien välillä havaintoaikakorjausten jälkeen, eikä eroa kaupunkien ja maaseudun asemien välillä ole oikeastaan ollenkaan Yhdysvaltojen tilannetta tarkasteltaessa. Globaalissa analyysissä maaseudun asemat näyttävät jopa hieman enemmän lämpenemistä kuin kaupunkien asemat. Asemat luokitellaan kaupunki- tai maaseutuasemiksi satelliittimittauksien avulla joissa mitataan valosasteen määrää alueella. Myös muuta tietoa käytetään apuna, kuten esimerkiksi karttoja, väkilukutilastoja jne.

Karl kertoo, että mittausasemien hallinta (niiden sijainnin ja ympäristön suhteen) ei ole tällä hetkellä kovin hyvällä mallilla. NOAA on parantamassa asiaa. NOAAn tutkimuksissa Yhdysvalloissa löytyi ainoastaan 70 asemaa 1200:sta, joiden hallinta oli hyvällä mallilla. Tämä asia ei onneksi kuitenkaan näytä vaikuttavan lopulliseen analyysiin paljoa, sillä mainittujen 70 asemien antama tulos ei poikkea oikeastaan ollenkaan loppujen asemien antamasta tuloksesta. Lisäksi on olemassa Climate Reference Network, johon kuuluu 114 hyvin rakennettua mittausasemaa, joiden toimintaa seurataan tarkasti. Climate Reference Network on ollut toiminnassa vain vähän aikaa, mutta siltä ajalta USHCN ja Climate Reference Network eroavat toisistaan hyvin vähän.

Yllä mainittiin GHCN:n tulossa oleva uusi versio ja kuinka siinä maapallo lämpenee hiukan enemmän kuin nykyisessä versiossa. Yksi syy siihen on se, että uudessa versiossa asemien mittaussarjoja korjataan uuden ”antikaupunkilämpösaareke-efektin” suhteen. Jo pitkän aikaa mitta-asemilla on ollut menossa muuttoliike kaupungeista lentokentille. Suurin osa lentokentistä sijaitsee kaupunkien ulkopuolella. Asemat muuttavat siis pois kaupunkilämpösaarekkeista. Karl näyttää eron lentoasemien mittauspaikkojen ja muiden välillä. Siitä nähdään, että lentoasemilla sijaitsevat asemat näyttävät paljon vähemmän lämpenemistä kuin muut asemat. Se johtuu monien asemien muutosta kaupungeista lentokentille ja se on siis korjattu uudessa GHCN:n versiossa.


Joitakin Karlin esittämia kuvia. Ylhäällä vasemmalla havaintoaikojen muutos Yhdysvaltojen mittausasemilla. Ylhäällä oikealla kaupunkiasemien ja maaseutuasemien vertailu Yhdysvalloissa havaintoaikakorjauksen jälkeen. Alhaalla vasemmalla eri analyysien vuosien 1979-2008 trendin hajonta. Alhaalla keskellä lentoasemakorjauksen vaikutus. Alhaalla oikealla asemien poistumisen vaikutus analyysiin.

Merien pintalämpötilamittauksissa on näytteidenoton määrä muuttunut paljon aikojen saatossa. Vanhoja mittauspaikkoja analysoitaessa näkyvät yleiset laivareitit selvästi ja niiden ulkopuolisia merialueita ei ole mitattu oikeastaan ollenkaan. Nykyaikana merialueet on katettu hyvin jo 1900-luvun puolivälistä alkaen. Näytteistyksen ongelmia on tutkittu paljon ja niiden vaikutus on havaittu paljon pienemmiksi kuin ilmaston lämpenemissignaali. Pienemmillä alueilla näytteistys on suurempi ongelma. Nykyään mitataan paljon mittauspoijuilta, joilla merialueet on nykyään jo katettu melko tasaisesti.

On havaittu, että poijumittaukset ovat järjestelmällisesti viileämpiä kuin laivamittaukset. Koska poijumittaukset on otettu käyttöön vasta viime aikoina ja aiemmin mittaukset tehtiin laivoista, aiheuttaa tämä viilentävän vääristymän analyysiin. Alunperin mittaukset tehtiin ämpäreillä – ensin puisilla (hyvä lämmöneriste), sitten purjekangasämpäreillä (huono lämmöneriste) ja nykyämpärit on eristetty kumilla. Nykyään laivoilla mitataan merenpintalämpötila sisäänotetusta jäähdytysvedestä. Mittaus tehdään vasta konehuoneessa, joten moottorien lämpö on jo ehtinyt hiukan lämmittämään sisäänotettua vettä ennen mittausta. Nykyisen parhaan arvion mukaan laivojen liian lämmin lukema kumoaa melko tarkasti poijujen liian viileän lukeman. Asiaa tutkitaan kuitenkin tarkasti tällä hetkellä.

Merenpinnan lämpötilan mittausten epävarmuus on suurempi vanhoissa mittauksissa ja sitten vähenee, mutta kasvaa uudelleen viime aikoina edellämainittujen ongelmien takia. Maa- ja merimittauksista tehdyssä yhdistetyssä globaalissa analyysissä on paljon epävarmuustekijöitä, joiden takia yksittäisistä vuosista on vaikea sanoa mitään varmaa, mutta kokonaistrendi on tilastollisesti merkitsevä.

Karl esittelee lyhyesti myös muutamia muita ilmaston lämpenemisen indikaattoreita. Nykyään järvet ja joet jäätyvät myöhemmin ja jäät lähtevät niistä aikaisemmin. Jäätiköiden tilavuus laskee ympäri maailman. Arktisen merijään pitkän ajan trendi laskee tasaisesti. Merien lämpösisältö on kasvanut. Globaali merenpinta nousee. Kasvien kukinta on aikaistunut 1-3 päivää vuosikymmenessä. Monien eläinläjien levinneisyysalueet siirtyvät napoja kohti.

Lopuksi Karl palaa vielä pintalämpötila-analyysiin ja vertailee eri analyysejä sekä pintamittauksista että satelliitti- ja säähavaintopallomittauksista. Kolme pintalämpötila-analyysia (NOAA, GISS ja HadCRUT) saavat kaikki melkein täsmälleen saman tuloksen vuosien 1979-2008 lämpötilatrendille. Tosin ne kaikki käyttävät samaa dataa, mutta niiiden analyysit eroavat toisistaan. Satellittianalyysejä on myös kolme (RSS, UAH ja NOAAlla on oma ”Star”), mutta niillä vastaava trendi poikkeaa toisistaan selvästi. Säähavaintopallojen radiosondeista (neljä analyysiä) saadaan myös aika suuri hajonta. Satelliitti- ja radiosondianalyyseissä on siis suuri hajonta, kun taas pintalämpötila-analyysit saavat kaikki kolme melkein täsmälleen saman tuloksen. Tämä viittaa siihen, että pintalämpötila-analyysit ovat tällä hetkellä luotettavampia.

Satelliittien ja pintalämpötila-analyysien välillä on suuria hetkittäisiä eroja esimerkiksi El Niñojen takia, jotka lämmittävät ilmakehää enemmän kuin pintaa. Systemaattista eroa satelliittien ja pintalämpötila-analyysien välillä ei kuitenkaan ole. Heinäkuussa NOAAlta on tulossa raportti ”State of the Climate Report 2009”, jossa esitetään tuoreita tietoja ilmastomme tilasta. Raportti on vertaisarvioitu ja sitä on ollut tekemässä 275 kirjoittajaa 45 maasta. Esityksessään Karl antaa hiukan esimakua tästä raportista näyttäen sieltä erilaisia lämpötilasarjoja yms.

Kiitos kommenteista Jarille ja Pasille.

Lähde: AMS Policy Program, AMS Climate Briefing Series, Thomas Karl: The Temperature Fingerprint of Climate Change (sivu lataa 59 minuutin videon), sivulta löytyy esitysmateriaali PDF-muodossa(>11MB tiedosto).

Lisätietoja:
Smith, Thomas M., Richard W. Reynolds, Thomas C. Peterson, and Jay Lawrimore, Improvements to NOAA’s Historical Merged Land–Ocean Surface Temperature Analysis (1880–2006), Journal of Climate 2008; 21: 2283-2296, [tiivistelmä, koko artikkeli]

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: