Temperaturmätningar för mikrovågsmätare

Jämförelse av markbaserade mätningar av yttemperatur (blå) och satellitbaserade registreringar av mellantroposfärisk temperatur (röd: UAH ; grön: RSS ) från 1979–2009. Trender plottade sedan januari 1982.

Atmosfäriska temperaturtrender från 1979–2011 baserat på satellitmätningar.

Microwave Sounding Units temperaturmätningar avser temperaturmätning med hjälp av Microwave Sounding Unit- instrumentet och är en av flera metoder för att mäta jordens atmosfärstemperatur från satelliter . Mikrovågsmätningar har erhållits från troposfären sedan 1979, då de ingick i NOAA vädersatelliter , med början i TIROS-N . Som jämförelse börjar det användbara ballongrekordet ( radiosonde ) 1958 men har mindre geografisk täckning och är mindre enhetligt.

Mikrovågsljusstyrka mäter inte direkt temperatur . De mäter strålning i olika våglängdsband , som sedan måste inverteras matematiskt för att erhålla indirekta inferenser av temperatur. De resulterande temperaturprofilerna beror på detaljer i de metoder som används för att erhålla temperaturer från strålningar. Som ett resultat har olika grupper som har analyserat satellitdata fått olika temperaturtrender. Bland dessa grupper finns Remote Sensing Systems (RSS) och University of Alabama i Huntsville (UAH). Satellitserien är inte helt homogen – skivan är konstruerad av en serie satelliter med liknande men inte identisk instrumentering. Sensorerna försämras med tiden och korrigeringar är nödvändiga för satellitdrift i omloppsbana. Särskilt stora skillnader mellan rekonstruerade temperaturserier uppstår vid de få tillfällen då det finns liten tidsmässig överlappning mellan på varandra följande satelliter, vilket gör interkalibrering svår.

Skapande av satellittemperaturrekord

Från 1979 till 2005 har mikrovågssonderingsenheterna (MSUs) och sedan 1998 Advanced Microwave Sounding Units på NOAA-satelliter i polarbana mätt intensiteten av uppströmmande mikrovågsstrålning från atmosfäriskt syre . Intensiteten är proportionell mot temperaturen hos breda vertikala skikt av atmosfären , vilket demonstreras av teori och direkta jämförelser med atmosfäriska temperaturer från radiosonde (ballong) profiler.

olika viktat område av atmosfären, beroende på absorptionsdjupet ( dvs. optiskt djup ) för mikrovågorna genom atmosfären. För att härleda data om temperaturprofilen på lägre höjder och ta bort stratosfärens påverkan har forskare utvecklat syntetiska produkter genom att subtrahera signaler vid olika höjder och betraktningsvinklar; som till exempel "2LT", som har ett maximum på cirka 650 hPa. Denna process förstärker dock brus, ökar kalibreringsförspänningar mellan satelliter och förbättrar ytförorening.

Poster har skapats genom att slå samman data från nio olika MSU:er och AMSU-data, var och en med egenheter som måste beräknas och tas bort eftersom de kan ha betydande inverkan på den resulterande trenden. Processen att konstruera ett temperaturrekord från ett strålningsrekord är svårt och några av de nödvändiga korrigeringarna är lika stora som själva trenden:

Analysteknik

MSU viktningsfunktioner baserade på US Standard Atmosphere .

Uppströmningsstrålning mäts vid olika frekvenser; dessa olika frekvensband samplar ett olika viktat område av atmosfären. Eftersom atmosfären är delvis men inte helt ogenomskinlig, är den uppmätta ljusstyrkan ett medelvärde över ett atmosfärsband, beroende på mikrovågornas penetrationsdjup. Ljusstyrketemperaturen (TB ₎ mätt med satellit ges av:

$T_{B}=W(0)T(0)+\int \limits _{0}^ {TOA}W(z)T(z)\,dz$

där $W(0)$ är ytvikten, $T(0)$ och $T(z)$ är temperaturerna vid ytan och vid atmosfärisk nivå $z$ och $W(z)$ är den atmosfäriska viktningsfunktionen.

Både ytvikterna och atmosfäriska vikter är beroende av ytemissiviteten $e_{S}$ , absorptionskoefficienten $\kappa (z)$ och jordens infallsvinkel ${\ theta }$ ; ytvikten är produkten av $e_{S}$ och en dämpningsfaktor:

$W(0)=e_{S}e^{-\tau (0,\infty )\sec \theta }$

där secant theta-termen står för beroendet av den optiska väglängden på den vertikala vinkeln, och $\tau$ är det optiska djupet:

$\tau =\int \limits _{z1}^{z2}\kappa (z)dz$

Atmosfäriska viktningsfunktioner $W(z)$ kan skrivas som:

$W(z)=\kappa (z)\sec \theta e^{-\tau (z,\infty )\sec \theta }+\kappa (z)\sec \ theta e^{-\tau (0,z)\sec \theta }(1-e_{S})e^{-\tau (0,\infty )\sec \theta }$

Den första termen i denna ekvation är relaterad till den strålning som emitteras uppåt från nivån $z$ och dämpad längs vägen till toppen av atmosfären (∞), den andra inkluderar strålningen som emitteras nedåt från nivån z till ytan (0) och strålningen som reflekteras tillbaka av ytan (proportionell mot $e_{S}$ ) till toppen av atmosfären, den exakta formen av $W(z)$ är beroende på atmosfärens temperatur, vattenånga och flytande vatteninnehåll.

Kanaler

MSU Channel 1 används inte för att övervaka atmosfärstemperatur eftersom den är för mycket känslig för utsläppen från ytan, dessutom är den kraftigt förorenad av vattenånga/flytande vatten i den nedersta troposfären.

Kanal 2 eller TMT är i stort sett representativ för troposfären, om än med en betydande överlappning med den lägre stratosfären; viktningsfunktionen har sitt maximum vid 350 hPa (motsvarande ca 8 km höjd) och halveffekt vid ca 40 och 800 hPa (ungefär 2–22 km).

Figur 3 (höger) visar de atmosfäriska nivåerna samplade av olika våglängder från satellitmätningarna, där TLS, TTS och TTT representerar tre olika våglängder. Observera att det lägsta måttet, TTT, inkluderar ljusstyrka från både atmosfärisk och ytemission. TMT och TLT representerar den höjdintervall som beräknas lägre troposfärtemperaturen beräknad med hjälp av en atmosfärisk modell som diskuteras nedan.

T4- eller TLS-kanalen är representativ för temperaturen i den nedre stratosfären med en toppviktningsfunktion på cirka 17 km över jordytan.

Beräkning av lägre troposfärtemperatur

I ett försök att härleda data för lägre höjder och ta bort stratosfärens inflytande har flera forskare utvecklat syntetiska produkter som subtraherar högre höjdvärden från mätningen av lägsta höjd (TMT). En sådan dataanalysteknik är beroende av att modellera effekten av höjd på temperaturen. Emellertid förstärker denna process brus, ökar inter-satellitkalibreringsförspänningar och förbättrar ytkontamination. Spencer och Christy utvecklade den syntetiska "2LT"-produkten (senare omdöpt till "TLT") genom att subtrahera signaler vid olika betraktningsvinklar; denna har ett maximum på cirka 650 hPa. 2LT-produkten har gått igenom många versioner eftersom olika korrigeringar har tillämpats. En annan sådan metodik har utvecklats av Fu och Johanson, TTT(Total Troposphere Temperature)-kanalen är en linjär kombination av TMT- och TLS-kanalen: TTT=1,156*TMT-0,153*TLS för det globala genomsnittet och TTT=1,12*TMT- 0,11*TLS på tropiska breddgrader

Mätkorrigeringar

Daglig provtagning

Alla MSU-instrument och i mindre utsträckning AMSU driver långsamt från den solsynkrona ekvatorialkorsningstiden och ändrar den lokala tiden som observeras av instrumentet, därför kan den naturliga dygnscykeln aliaseras till den långsiktiga trenden. Den dagliga provtagningskorrigeringen är i storleksordningen några hundradelar °C/decennium för TLT och TMT.

Banförfall

Alla polära satelliter som kretsar i bana förlorar höjd efter uppskjutning, sönderfallet i omloppsbanan är starkare under perioder med förhöjd solaktivitet när den förstärkta ultravioletta strålningen värmer upp den övre atmosfären och ökar friktionsmotståndet över rymdfarkosten.

Orbitalförfallet ändrar instrumentets synvinkel relativt ytan och därmed den observerade mikrovågsemissiviteten, dessutom konstrueras den långsiktiga tidsserien genom sekventiell sammanslagning av interkalibrerade satellitdata så att felet summeras över tiden, det nödvändiga korrigeringen är i storleksordningen 0,1 °C/decennium för TLT.

Kalibreringsändringar

När varje MSU-instrument för jordskanning använder djuprymden (2,7K) och varma mål ombord för att göra kalibreringsåtgärder, men när rymdfarkosten driver genom dygnscykeln kan kalibreringsmåltemperaturen ändras på grund av varierande solskuggningseffekt, är korrigeringen i storleksordningen 0,1 °C/decennium för TLT och TMT.

Ett allmänt rapporterat satellittemperaturrekord är det som utvecklats av Roy Spencer och John Christy vid University of Alabama i Huntsville (UAH). Rekordet kommer från en rad olika satelliter och problem med interkalibrering mellan satelliterna är viktiga, speciellt NOAA-9, som står för större delen av skillnaden mellan RSS- och UAH-analyserna. NOAA-11 spelade en betydande roll i en studie från 2005 av Mears et al. identifiera ett fel i den dagliga korrigeringen som leder till 40%-hoppet i Spencer och Christys trend från version 5.1 till 5.2.

Trender

Rekord har skapats genom att sammanfoga data från nio olika MSU:er, var och en med egenheter ( t.ex. rymdfarkostens tidsdrift i förhållande till den lokala soltiden) som måste beräknas och tas bort eftersom de kan ha betydande effekter på den resulterande trenden.

Processen att konstruera en temperaturpost från en strålningspost är svår. Satellitens temperaturrekord kommer från en rad olika satelliter och problem med interkalibrering mellan satelliterna är viktiga, speciellt NOAA-9, som står för det mesta av skillnaden mellan olika analyser. NOAA-11 spelade en betydande roll i en studie från 2005 av Mears et al. identifiera ett fel i den dagliga korrigeringen som leder till 40%-hoppet i Spencer och Christys trend från version 5.1 till 5.2. Det pågår pågående ansträngningar för att lösa skillnader i satellittemperaturdatauppsättningar.

Jämförelse med yttrender

För att jämföra MSU-hämtningarna med trenden från yttemperaturrekordet är det lämpligast att härleda trender för den del av atmosfären som är närmast ytan, dvs den nedre troposfären . Som diskuterats tidigare är den lägsta av temperaturhämtningarna, TLT, inte en direkt mätning, utan ett värde som beräknas genom att subtrahera högre höjd ljusstyrka från de lägre mätningarna. Trenderna som hittats från UAH- och RSS-grupperna, som visas i tabellen nedan, beräknas med lite olika metoder och resulterar i olika värden för trenderna.

Genom att använda T2- eller TMT-kanalen (som inkluderar betydande bidrag från stratosfären, som har svalnat), Mears et al. of Remote Sensing Systems (RSS) finner (till och med januari 2017) en trend på +0,140 °C/decennium. Spencer och Christy från University of Alabama i Huntsville (UAH), finner en mindre trend på +0,08 °C/decennium.

När man jämför dessa mätningar med yttemperaturmodeller är det viktigt att notera att resulterande värden för de lägre troposfärmätningarna som tas av MSU är ett viktat medelvärde av temperaturer över flera höjder (ungefär 0 till 12 km), och inte en yttemperatur (se TLT i figur 3 ovan). Resultaten är alltså inte exakt jämförbara med yttemperaturmodeller.

Trender från skivan

Kanal	Start	Slutdatum	RSS v4.0 Global trend (70S – 82,5N) (K/decennium)	UAH v6.0 Global trend (90S – 90N) (K/decennium)	STAR v3.0 Global trend (K/decennium)	UW UAH Global trend (ºK/decennium)	UW RSS Global trend (ºK/decennium)
TLT	1979	2017-05	0,184	0,12
TTT	1979	2017-01	0,180			0,13	0,14
TMT	1979	2017-01	0,140	0,08	0,129
TLS	1979	2017-01	-0,260	−0,31	-0,263

En annan satellittemperaturanalys tillhandahålls av NOAA/NESDIS STAR Center for Satellite Application and Research och använder simultana nadir overpasses (SNO) för att ta bort satellitinterkalibreringsbiaser som ger mer exakta temperaturtrender. STAR-NOAA-analysen finner en trend 1979–2016 på +0,129 °C/decennium för TMT-kanal.

Genom att använda en alternativ justering för att ta bort stratosfärskontaminationen hittades trender 1979–2011 på +0,14 °C/decennium när de tillämpades på RSS-datauppsättningen och +0,11 °C/decennium när de tillämpades på UAH-datauppsättningen.

En analys från University of Washington finner trender 1979–2012 på +0,13 °C/decennium när de tillämpas på RSS-datauppsättningen och +0,10 °C/decennium när de tillämpas på UAH-datauppsättningen.

Kombinerad yt- och satellitdata

2013 föreslog Cowtan och Way att globala temperaturmedelvärden baserade på yttemperaturdata hade en möjlig källa till bias på grund av ofullständig global täckning om de osamplade regionerna inte är jämnt fördelade över planetens yta. De åtgärdade detta problem genom att kombinera yttemperaturmätningarna med satellitdata för att fylla i täckningen. Under tidsperioden 1979-2016, genom att kombinera HadCRUT4- ytdata med UAH-satellittäckning, visar de en global ytuppvärmningstrend på 0,188 °C/decennium.

Historien om tolkning av satellittemperaturdata

Den tidiga (1978 till början av 2000-talet) oenigheten mellan yttemperaturrekorden och satellitposterna var föremål för forskning och debatt. En brist på uppvärmning som då sågs i UAH-hämtningstrenderna 1978-1998 noterades av Christy och Spencer och kommenterades i en rapport från 2000 av National Research Council och 2001 IPCC :s tredje utvärderingsrapport

Christy et al. (2007) hävdade att tropiska temperaturtrender från radiosonder stämmer närmast överens med hans v5.2 UAH-datauppsättning. Dessutom hävdade de att det fanns en diskrepans mellan RSS- och sondtrender från och med 1992, när NOAA-12-satelliten lanserades.

1998 hade UAH-data visat en avkylning på 0,05K per decennium (vid 3,5 km – mitten till låg troposfär). Wentz & Schabel på RSS visade i sin 1998-tidning att detta (tillsammans med andra avvikelser) berodde på orbitalförfallet hos NOAA-satelliterna. När omloppsförändringarna hade tillåtits för data visade en 0,07K per decennium ökning av temperaturen på denna nivå av atmosfären.

En annan viktig kritik av det tidiga satellitrekordet var dess korthet - att lägga till några år till rekordet eller välja en viss tidsram kan förändra trenderna avsevärt.

Under början av 2005, även om de började med samma data, hade var och en av de stora forskargrupperna tolkat det med olika resultat. Mest anmärkningsvärt är Mears et al . vid RSS hittades 0,193 °C/decennium för lägre troposfären fram till juli 2005, jämfört med +0,123 °C/decennium som UAH hittade för samma period.

Det pågick pågående ansträngningar för att lösa dessa skillnader. Mycket av skillnaderna i tidiga resultat löstes av de tre artiklarna i Science , 11 augusti 2005, som påpekade fel i UAH 5.1-rekordet och radiosonderekordet i tropikerna.

En alternativ justering för att ta bort den stratosfäriska kontamineringen har införts av Fu et al. (2004). Efter korrigeringen är den vertikala viktningsfunktionen nästan densamma för T2(TMT)-kanalen i troposfären.

En annan omanalys, av Vinnikov et al. 2006, fann +0,20 °C per decennium (1978–2005).

Analyser över en längre tidsperiod har löst vissa, men inte alla, avvikelserna i data. IPCC: s femte utvärderingsrapport (2014) konstaterade: "baserat på flera oberoende analyser av mätningar från radiosonder och satellitsensorer är det praktiskt taget säkert att troposfären globalt har värmts upp och stratosfären har svalnat sedan mitten av 1900-talet. Trots enhällig överenskommelse om tecken på trenderna, finns det betydande oenighet bland tillgängliga uppskattningar om hastigheten för temperaturförändringar, särskilt utanför den extratropiska NH-troposfären, som har provtagits väl av radiosonder, och drog slutsatsen "Även om det har förekommit betydande metodologiska debatter om beräkning av trender och trender. deras osäkerhet har ett 95 % konfidensintervall på cirka ±0,1 °C per decennium erhållits konsekvent för både LT och MT ( t.ex. avsnitt 2.4.4; McKitrick et al. , 2010).

Korrigeringar av UAH-datatrender

Förutom korrigeringen av Wentz och Schabel, hade tvivel väckts så tidigt som 2000 om UAH-analysen av Prabhakara et al.s arbete, vilket minimerade fel på grund av satellitdrift. De fann en trend på 0,13 °C/decennium, i rimlig överensstämmelse med yttrender.

Sedan den tidigaste publiceringen av resultat på 1990-talet har ett antal justeringar av algoritmen som beräknar UAH TLT-datauppsättningen gjorts. En tabell över korrigeringarna finns i UAH-satellittemperaturdatasetets artikel.

Senaste trendsammanfattning

För att jämföra med trenden från yttemperaturrekordet ( +0,161±0,033 °C/decennium från 1979 till 2012 enligt NASA GISS) är det lämpligast att härleda trender för den del av atmosfären som ligger närmast ytan, dvs. den nedre troposfären . Gör så här till och med december 2019:

RSS-rekonstruktionens linjära temperaturtrenden visar en uppvärmning på +0,208 °C/decennium.
UAH-rekonstruktionens linjära temperaturtrenden 1979-2019 visar en uppvärmning på +0,13 °C/decennium,

Jämförelse av data med klimatmodeller

Under en tid var den enda tillgängliga satellitposten UAH-versionen, som (med tidiga versioner av bearbetningsalgoritmen ) visade en global kyltrend under sitt första decennium. Sedan dess har ett längre rekord och ett antal korrigeringar av bearbetningen reviderat denna bild, med både UAH- och RSS-mätningar som visar en uppvärmningstrend.

En detaljerad analys gjord 2005 av dussintals forskare som en del av det amerikanska programmet för klimatförändringar (CCSP) identifierade och korrigerade fel i en mängd olika temperaturobservationer, inklusive satellitdata. I deras rapport stod det:

"Tidigare rapporterade avvikelser mellan mängden uppvärmning nära ytan och högre i atmosfären har använts för att utmana tillförlitligheten hos klimatmodeller och verkligheten av mänsklig inducerad global uppvärmning. Specifikt visade ytdata en betydande global uppvärmning i genomsnitt, medan tidiga versioner av satellit- och radiosonddata visade liten eller ingen uppvärmning över ytan. Denna betydande avvikelse existerar inte längre eftersom fel i satellit- och radiosonddata har identifierats och korrigerats. Nya datamängder har också utvecklats som inte visar sådana avvikelser."

IPCC:s fjärde utvärderingsrapport från 2007 säger:

"Nya analyser av ballongburna och satellitmätningar av lägre och medelstora troposfärstemperaturer visar uppvärmningshastigheter som liknar de för yttemperaturrekordet och är konsekventa inom deras respektive osäkerheter, vilket till stor del överensstämmer med en diskrepans som noteras i TAR."

Tropisk troposfär

Klimatmodeller förutspår att när ytan värms upp så bör även den globala troposfären göra det. Globalt förutspås troposfären (vid den TLT-höjd där MSU-ekolodet mäter) värmas upp cirka 1,2 gånger mer än ytan; i tropikerna bör troposfären värmas upp cirka 1,5 gånger mer än ytan. ^{CCSP . "} -rapporten från 2005 noterades det dock att användningen av fingeravtryckstekniker på data gav att "Vulkaniska och mänskligt orsakade fingeravtryck inte var konsekvent identifierbara i observerade mönster av förändringar i lapse rate (Där "bortfallshastighet" hänvisar till förändringen i temperatur i med höjd). I synnerhet noterades en möjlig inkonsekvens i tropikerna, det område där troposfärsförstärkning bör ses tydligast. De sa:

"I tropikerna beror överensstämmelsen mellan modeller och observationer på vilken tidsskala som beaktas. För variationer från månad till månad och år till år visar både modeller och observationer förstärkning (dvs. månad till månad och år ) . Variationerna från år till år är större uppe än vid ytan). Detta är en följd av relativt enkel fysik, effekterna av frigörandet av latent värme när luft stiger och kondenserar i moln. Storleken på denna förstärkning är mycket lika i modeller och observationer. På decadala och längre tidsskalor, men medan nästan alla modellsimuleringar visar högre uppvärmning i luften (som återspeglar samma fysiska processer som fungerar på månatlig och årlig tidsskala), visar de flesta observationer större uppvärmning vid ytan. "Dessa resultat

kan uppstår antingen på grund av att förstärkningseffekter från den "verkliga världen" på korta och långa tidsskalor styrs av olika fysiska mekanismer och att modeller inte lyckas fånga sådant beteende; eller för att icke-klimatiska influenser som finns kvar i några eller alla av de observerade troposfärsdatauppsättningarna leder till partiska långsiktiga trender; eller en kombination av dessa faktorer. De nya bevisen i denna rapport gynnar den andra förklaringen."

De senaste klimatmodellsimuleringarna ger en rad resultat för förändringar i global medeltemperatur. Vissa modeller visar mer uppvärmning i troposfären än vid ytan, medan ett något mindre antal simuleringar visar motsatt beteende. Det finns ingen grundläggande inkonsekvens mellan dessa modellresultat och observationer på global skala, med trenderna nu liknande.

Globalt sett visar de flesta klimatmodeller som används av IPCC för att förbereda sin tredje bedömning 2007 en något större uppvärmning på TLT-nivå än vid ytan (0,03 °C/decenniumsskillnad) för 1979–1999 medan GISS-trenden är +0,161 ° C/decennium för 1979 till 2012, de lägre troposfärtrenderna beräknade från satellitdata av UAH och RSS är +0,130 °C/decennium och +0,206 °C/decennium.

Den lägre troposfärstrenden härledd från UAH-satelliter (+0,128 °C/decennium) är för närvarande lägre än trenderna för både GISS och Hadley Center ytstationsnätverk (+0,161 respektive +0,160 °C/decennium), medan RSS-trenden (+0,158) °C/decennium) är liknande. Men om den förväntade trenden i den nedre troposfären verkligen är högre än ytan, då givet ytdata, skulle troposfärtrenden vara runt 0,194 °C/decennium, vilket gör UAH- och RSS-trenderna 66 % och 81 % av det förväntade värdet respektive.

Avstämning med klimatmodeller

Medan satellitdata nu visar global uppvärmning, finns det fortfarande en viss skillnad mellan vad klimatmodeller förutspår och vad satellitdata visar för uppvärmning av den nedre troposfären, där klimatmodellerna förutspår något mer uppvärmning än vad satelliterna mäter.

Både UAH-datauppsättningen och RSS-datauppsättningen har visat en övergripande uppvärmningstrend sedan 1998, även om UAH-inhämtningen visar något mindre uppvärmning än RSS. I juni 2017 släppte RSS v4 som markant ökade trenden i deras data, vilket ökade skillnaden mellan RSS- och UAH-trender.

Atmosfärsmätningar tagna med en annan satellitmätningsteknik, Atmospheric Infrared Sounder på Aqua-satelliten , visar nära överensstämmelse med ytdata.

externa länkar