NASAn Goddard Institute for Space Studies (GISS) on julkaissut uuden kuvauksen maapallon pintalämpötila-analyysistään. Artikkelissa kuvataan analyysissä käytetty data sekä analyysin menetelmät ja tulokset. Lisäksi käsitellään joitakin keskustelua herättäneitä aiheita, kuten kaupunkilämpösaareketta ja datasta löytyneitä virheitä.
Kolmen pintalämpötila-analyysin antama maapallon lämpötilan muutos.
Maapallon pintalämpöanalyysejä tehdään kolmen tutkimusryhmän toimesta: NASAn Goddard Institute for Space Studies (GISS), NOAA:n National Climatic Data Center (NCDC) ja Ison-Britannian Met Officen Hadley Centren sekä East Anglian yliopiston Climatic Research Unitin yhteistyönä tekemä HadCRUT (*). Nämä analyysit eivät ole toisistaan riippumattomia, sillä ne käyttävät paljolti samaa mittausdataa. On silti hyvä, että analyysejä on useampia, koska niissä käytetään erilaisia menetelmiä mittausdatan ongelmien (esimerkiksi mittauspaikan ympäristön vaikutukset mittauksiin) käsittelyssä. On olemassa myös pintalämpötila-analyysi, jossa käytetään ainakin osittain eri mittausdataa (Lugina ja muut, 2006). Tämä analyysi antaa hyvin samanlaisen tuloksen kuin muutkin analyysit.
GISSin pintalämpötila-analyysi muodostettiin 1970-luvun lopulla James Hansenin aloitteesta ja se julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1981. Tavoitteena oli arvioida maapallon lämpötilan muutos, jotta sitä voitaisiin verrata ilmastoon vaikuttavien tekijöiden (esimerkiksi kasvihuonekaasut, tulivuorien aerosolit, Auringon aktiivisuus) odotettuun vaikutukseen. Tätäkin ennen oli ollut joitakin analyysejä, mutta ne eivät kattaneet koko maapalloa.
GISSin analyysissä lasketaan lämpötilanmuutosta, joten absoluuttista lämpötilaa GISSin analyysistä ei saa. Absoluuttinen lämpötilakin on kuitenkin arvioitu koko maapallolle olevan noin 14 celsiusastetta vuosien 1951 ja 1980 välisen ajan keskiarvona.
Lämpötilan mittaustiedot GISSin analyysiin maa-alueiden osalta tulevat GHCN:stä (Global Historical Climatology Network, NOAA). Käytössä on toistaiseksi GHCN:n versio 2, mutta versio 3 on juuri ilmestymässä (siitä on jo julkaistu beta-versio GHCN:n verkkosivuilla). GISS tulee siirtymään lähiaikoina versioon 3 ja pitää jonkin aikaa sekä uudempaan että vanhempaan versioon perustuvia analyysejä verkkosivuillaan, jotta analyysien eroja voidaan vertailla. GISS käyttää GHCN:ssä olevista mittausasemista vain sellaiset, joilla on vähintään 20 vuotta samanaikaisia mittauksia naapuriasemien kanssa. Mittausasemia GISSin analyysissä on noin 6300 (GHCN:n asemien koko määrän ollessa noin 7000).
Ennen varsinaisen analyysin tekoa on monien mittausasemien dataa ensin korjattava. Yksi tunnettu korjaamista vaativa asia on kaupunkilämpösaareke. GISSin analyysiin kuuluu kaupunkilämpösaarekkeen korjaus (tästä enemmän alla). GISSin analyysiin kuuluu kaksi tärkeää mittausasemaa, joilla ei ole oikeastaan naapuriasemia. Molempien asemien mittausdataan on tehtävä korjaus. Saint Helenan mittausasema trooppisella Atlantilla siirrettiin vuonna 1976 alemmas (korkeudesta 604 m korkeuteen 436 m). Lämpötila alempana on korkeampi, joten aseman mittausdatan ennen vuotta 1976 mitattuihin arvoihin lisättiin yksi celsiusaste (lämpötila laskee korkeuden mukana noin kuusi celsiusastetta per kilometri). Havaijilla sijaitsevan Lihuen mittausaseman dataan jouduttiin lisäämään 0,8 celsiusastetta vuotta 1950 edeltäviin arvoihin, koska datassa oli selvä epäjatkuvuuskohta (eikä korjaamaton data sopinut yhteen naapuriasemien datan kanssa).
Merenpinnan lämpötilat GISS ottaa Met Officen Hadley Centren merenpinnan lämpötilojen analyysistä (HadISST1) sekä satelliittimittauksista (OISST.v2). Merenpinnan lämpötilan mittauksiin liittyy myös korjaamista vaativia tekijöitä, kuten mittausmenetelmien muuttuminen ajan myötä. Myös satelliittimittauksissa on omat epävarmuustekijänsä.
Merenpinnan lämpötilamittauksista käytetään vain koko vuoden jäästä vapaana olevilta alueilta tehdyt mittaukset. GISSin analyysi näet pyrkii antamaan maanpinnan läheisen ilman lämpötilan. Merenpinnan lämpötila on melko hyvä ilmalämpötilan indikaattori jäästä vapailla alueilla. Merenpinnan jäätyessä tilanne muuttuu. Meren pintavesi ei laske alle nollan celsiusasteen vaikka jään yläpuolella ilman lämpötila saattaa olla reilusti pakkasen puolella. Siksi jäätyvillä alueilla ei merenpinnan lämpötilaa voi käyttää ilman lämpötilan indikaattorina. Jäisten merialueiden ilman lämpötilat arvioidaan läheisten maa-asemien perusteella ja jos 1200 kilometrin säteellä ei ole yhtään maa-asemaa, lämpötila jätetään sellaiselta paikalta määrittelemättä.
GISSin analyysissä kaupunkialueilla sijaitseville asemille tehdään pitkän ajan lämpötilanmuutoksiin korjaus kaupunkilämpösaarekkeen vaikutuksen poistamiseksi. Kaupunkialueilla sijaitsevat asemat määritetään satelliittien kuvaaman yövalaistuksen perusteella.
Kaupunkilämpösaarekkeen vaikutus näyttäisi yleisesti ottaen olevan pieni (ja tämä on havaittu myös lukuisissa muissa tutkimuksissa). Pieni vaikutus saattaa ainakin osittain johtua siitä, että kaupunkeihin liittyy myös tekijöitä, jotka vaikuttavat viilentävästi lämpötilamittauksiin. Mittausasemia on esimerkiksi siirretty kaupunkien keskustoista läheisille lentokentille, jolloin mittausasema siirtyy vähäisemmän kaupunkilämpösaarekkeen alueelle ja mittausdatassa tämä näkyy viilenemisenä. Lisäksi mahdollisen kaupunkilämpösaarekkeesta aiheutuvan systemaattisen virheen vaikutus häviää erotusta laskiessa, kun UHI-vaikutus on kaupunkiasemilla vakio. Useimpien kaupunkiasemien tapauksessa viimeisinä vuosikymmeninä ei ole tapahtunut muutosta, joka vaikuttaisi UHI-ilmiöön.
GISSin analyysille tehtiin testi, jossa määriteltiin erittäin pimeän yövalaistuksen alueilla (eli varmasti kaupunkien ulkopuolella sijaitsevat) sijaitsevat mittausasemat ja verrattiin niiden antamaa tulosta koko analyysin tulokseen. Eroa on vain yhden sadasosa-asteen verran vuosisadassa. Tämä tarkoittaa sitä, että kaupunkilämpösaarekkeen vaikutus koko analyysiin on hyvin pieni.
On kuitenkin huomattava, että yövalaistuksen määrän arviointi satelliittimittauksista ei ole riittävän tarkka, jotta yksittäisten rakennuksien tai muiden vastaavien vaikutus yksittäisiin mittausasemiin voitaisiin selvittää. Tällaiset asiat selviävät vain asemien tarkastuksilla paikan päällä. Onkin melko selvää, että monet analyysiin kuuluvista asemista sisältävät sellaisia virheitä, joita ei ole korjattu. Näiden virheiden vaikutus koko analyysiin on todennäköisesti pieni, koska virheitä tapahtuu kumpaankin suuntaan (viilenevään ja lämpenevään).
Kaupunkilämpösaarekkeen vaatimat korjaukset ovat suurimpia Afrikassa ja niitä on tehtävä sekä viilenevään että lämpenevään suuntaan. Suurimmat paikalliset lämpötilan mittaamiseen vaikuttavat muutokset Afrikassa eivät liity kaupunkien kasvamiseen, vaan siihen, että jotkut kaupunkiasemat on jouduttu poistamaan analyysistä, koska niille ei ole löytynyt kolmea läheistä maaseudulla sijaitsevaa mittausasemaa.
Analyysin tuloksena näkyy lämpenevä maailma. Viimeisin vuosikymmen oli noin 0,8 celsiusastetta lämpimämpi kuin 1900-luvun alku. Kaksi kolmasosaa tästä lämpenemisestä on tapahtunut vuoden 1975 jälkeen. Neljän viimeisen vuosikymmenen aikana ilmasto on lämmennyt keskimäärin 0,17 celsiusastetta per vuosikymmen. Lämpeneminen on voimakkaampaa maa-alueilla kuin merialueilla. Tämä on odotettua, sillä suuren lämpökapasiteettinsa takia meret reagoivat hitaammin lämmittävään vaikutukseen kuin maa-alueet. Euraasian alueella maa-alueet ovat lämmenneet noin 2-3 kertaa voimakkaammin kuin maapallon keskimääräinen lämpeneminen. Meristä eniten on lämmennyt Pohjoinen jäämeri.
Eri analyyseja verrattaessa keskenään käy ilmi, että HadCRUTin analyysissä jätetään arktiset alueet huomiotta, kun taas GISSin ja NOAAn analyysissä arvioidaan lämpötilan muutokset melkein koko arktiselle alueelle. Kun GISSiä ja HadCRUTia vertaillaan vain yhteisten alueiden osalta, tulokset ovat lähes samat. Niinpä GISSin ja HadCRUTin erot johtuvat lähinnä siitä, että GISSin analyysi ulottuu laajemmalle alueelle kuin HadCRUTin analyysi. Yleisesti ottaen eri analyysit antavat kuitenkin hyvin samanlaisen kuvan lämpötilan muutoksista erityisesti pitkällä aikavälillä.
Arktisilla alueilla on vain vähän mittausasemia ja suurella osalla alueista lämpötilanmuutos joudutaan arvioimaan 1200 kilometrin säteellä sijaitsevien mittausasemien perusteella, eikä varsinaisten paikallisten mittausten perusteella. Kumpi on sitten parempi, arvioida arktisten alueiden lämpötilat lähiasemien (jotka tässä tapauksessa ovat kuitenkin monesti melko etäällä) perusteella vai jättää koko alueen lämpötilat määrittelemättä, kuten HadCRUT tekee?
Kun lämpötilat jätetään määrittelemättä, niin oikeastaan silloin oletetaan alueen lämpötilamuutosten olevan samansuuruiset kuin koko analyysin keskimääräinen lämpötilan muutos (mutta oikeastaan HadCRUTin analyysin tapauksessa oletus on, että lämpötilanmuutos vastaa keskimääräistä pohjoisen pallonpuoliskon lämpötilan muutosta). Arktisella alueella lämpötilan muutos näyttää kuitenkin olevan keskimääräistä suurempi, kuten myös riippumattomat satelliittimittaukset näyttävät osoittavan, joten HadCRUTin analyysi melko varmasti hiukan aliarvioi tapahtunutta lämpenemistä.
Itse asiassa myös GISSin analyysi saattaa hiukan aliarvioida arktisen alueen lämpenemistä ainakin joillakin alueilla. Suurin lämpeneminen näyttää tapahtuneen pohjoisimmilla alueilla, mutta GISS arvioi näiden alueiden lämpötilanmuutokset enemmän etelässä sijaitsevien lähiasemien perusteella. Näiden lähiasemien lämpeneminen näyttäisi olevan hiukan vähäisempää kuin pohjoisimpien alueiden lämpeneminen, joten GISSin analyysi luultavasti näyttää pohjoisimmille alueille hiukan liian vähäistä lämpenemistä. On kuitenkin huomautettava, että tämä on hyvin epävarmaa ja GISSin analyysi saattaa paikoittain arktisilla alueilla myös yliarvioida lämpenemistä.
GISSin analyysistä on aikojen kuluessa havaittu virheitä ja niitä on korjattu. Yksi sellainen oli mediassa aikanaan kovasti esillä ollut tarvittavien korjausten puuttuminen Yhdysvaltojen mittausasemien datassa vuoden 2000 jälkeen. Virhe aiheutti pienen hyppäyksen Yhdysvaltojen lämpötilaan, mutta virheen vaikutus koko globaaliin analyysiin oli noin 0,003 celsiusastetta, eli hyvin pieni.
GISSin analyysi muuttuu kuukausittain uusien kuukausiarvojen lisäyksen myötä, mutta myös vanhoihin mittausarvoihin tulee korjauksia jatkuvasti. Esimerkki tästä nähtiin vuonna 2008, kun joidenkin Venäjän mittausasemien marraskuun mittausarvot olivatkin vahingossa lokakuun arvojen kopioita. Silloin tällöin GISSin käyttämät datalähteet myös päivittyvät ja se saattaa näkyä analyysin lopputuloksessa. Esimerkki tällaisesta on tuleva siirtyminen GHCN:n versiosta 2 versioon 3.
Yksi ikävä piirre on liittynyt GISSin analyysin havaittuihin virheisiin. Niihin on usein liittynyt väärennössyytöksiä mediassa. Tämän johdosta onkin siirrytty järjestelmään, jossa uusi kuukausidata tarkastetaan ensin tietyn tutkijajoukon voimin ja vasta sen jälkeen data annetaan julkiseksi. Tämä viivästyttää kuukausiarvojen julkaisua. Loppujen lopuksi on kuitenkin mahdotonta muodostaa täysin virheetöntä järjestelmää tällaisen analyysin tekemiseksi. Havaittujen virheiden merkitys on tähän mennessä ollut joka tapauksessa hyvin pieni koko analyysin näkökulmasta.
(*) Japanin ilmatieteen laitos on myös tehnyt maapallon pintalämpötilan analyysin ja lisäksi ECMWF- ja NCAR-analyyseistä saa myös pintalämpötilan.
Lähde:
Hansen, J., R. Ruedy, Mki. Sato, and K. Lo, 2010: Global surface temperature change. Rev. Geophys., 48, RG4004, doi:10.1029/2010RG000345. [tiivistelmä, koko artikkeli]
Lisätietoja:
Hansen ja muut, 1981
NOAA Global Historical Climatology Network (GHCN)
Aiempi artikkeli GHCN:ään liittyen: Thomas Karl – luento NOAAn pintalämpötila-analyysistä
Lugina ja muut (2006) – pintalämpötila-analyysi
Ilmastotieto 
Jätä kommentti