Объяснитель: как корректировка данных влияет на глобальные записи температуры

За последние два столетия время суток, места и методы измерения температуры резко изменились.Например, если раньше исследователи опускали ведра за борт корабля, чтобы набирать воду для измерения, то теперь у нас есть глобальная сеть автоматических буев, плавающих по океанам и измеряющих воду напрямую.

Это усложняет задачу для ученых, собирающих долгосрочные и последовательные оценки того, как меняются глобальные температуры. Ученые должны скорректировать необработанные данные, чтобы учесть все различия в том, как, когда и где проводились измерения.

Эти корректировки уже давно являются предметом горячих споров. Многие климатические скептики любят утверждать, что ученые «преувеличивают» потепление, понижая прошлые температуры и повышая нынешние.

Кристофер Букер, климатический скептик, писавший в Sunday Telegraph в 2015 году, назвал их «величайшим научным скандалом в истории». В новом отчете правого аналитического центра США, Института Катона, даже утверждается, что поправки объясняют «почти все потепление» в исторических записях.

Но анализ, проведенный Carbon Brief, сравнивающий необработанные данные о глобальной температуре с скорректированными данными, показывает, что правда гораздо более приземленная: корректировки относительно мало влияют на глобальные температуры, особенно за последние 50 лет.

На самом деле, за весь период, когда доступны измерения, корректировки на самом деле имеют чистый эффект уменьшения количества долгосрочного потепления, которое испытал мир.

Необработанные данные показывают большее глобальное потепление

Температуры суши и океана корректируются отдельно, чтобы скорректировать изменения в методах измерения с течением времени. Все исходные показания температуры как с наземных метеостанций, так и с океанских кораблей и буев находятся в открытом доступе и могут быть использованы для создания «сырых» данных о глобальной температуре.

На рисунке ниже показана глобальная запись температуры поверхности, созданная только на основе необработанных показаний температуры без применения корректировок (синяя линия).Красная линия — это скорректированный рекорд температуры суши и океана, полученный с использованием скорректированных данных Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA), разница между ними показана серым цветом.

Средняя глобальная скорректированная и необработанная температура поверхности. См. примечание в конце для технических деталей этого анализа. Аномалии нанесены относительно базового уровня 1961–1990 гг. Диаграмма Carbon Brief с использованием Highcharts.

Вы можете видеть, что поправки к данным относительно мало влияют на глобальные температуры после 1950 года. Скорость потепления между 1950 и 2016 годами в скорректированных данных чуть менее чем на 10 % выше, чем в необработанных данных, и только на 4 % быстрее с начала современный период потепления 1970 г.

Корректировки, которые оказали большое влияние на рекорд температуры поверхности, произошли до 1950 года. Здесь прошлые температуры корректируются, что значительно снижает потепление за последнее столетие. За весь период с 1880 по 2016 год скорректированные данные нагреваются более чем на 20 % медленнее, чем необработанные данные. Большие корректировки до 1950 года почти полностью связаны с изменениями в способах измерения температуры на кораблях (подробнее об этом позже).

Корректировка температуры земли

Итак, при более внимательном рассмотрении корректировки данных, почему и как корректируются наземные измерения температуры?

Одна метеостанция, вероятно, претерпит множество изменений за десятилетия, в течение которых она используется. Немногие станции остаются в одном и том же месте в течение очень длительного периода времени, при этом большинство станций хотя бы раз перемещаются на новое место. Большинство станций также изменили способ измерения температуры, перейдя от жидкостных термометров к электронным приборам. Станции часто меняют время суток, когда они измеряют температуру, а растущие города и городские районы могут вводить искусственное потепление на некоторых станциях. Очень локальные факторы, такие как деревья, растущие над станциями, или неудачное расположение станций, также могут вызывать проблемы.

Чтобы скорректировать различия в записи температуры, вызванные этими изменениями, известными как неоднородности, ученые используют подход, известный как статистическая гомогенизация. Они сравнивают каждую станцию ​​со всеми ее ближайшими соседями и ищут изменения, которые являются локальными для одной станции, но не обнаруживаются ни на одной другой в этом районе. В течение длительных периодов времени изменения климата очень редко бывают локальными, поэтому локальные изменения, не наблюдаемые на окружающих станциях, скорее всего, вызваны чем-то вроде перемещения станции или смены приборов.

Например, если одна станция нагревается в течение десятилетия, в то время как все окружающие станции охлаждаются, эта станция будет помечена как «неоднородная», и ее запись будет скорректирована, чтобы привести ее в соответствие с соседними.

Сбои в записи станций, связанные с перемещением станций, изменением времени наблюдения и даже урбанизацией, как правило, затрагивают только одну станцию ​​в регионе за раз и могут быть легко обнаружены путем сравнения соседних станций.

На приведенном ниже рисунке показано чистое влияние всех корректировок наземных станций на глобальные данные о температуре на суше. Корректировки увеличивают общее потепление температуры земли на 16% в период с 1880 по 2016 год. Большая часть этого связана с более ранней частью температурных данных. С 1970 года корректировки увеличивают потепление только на 3%.

Корректировка температуры земли действительно оказывает более сильное влияние в некоторых конкретных регионах, таких как США и Африка, но они, как правило, усредняются, если смотреть на глобальные данные о поверхности суши.

Глобальные скорректированные и необработанные температуры земли. Аномалии нанесены относительно базового уровня 1961–1990 гг. Диаграмма Carbon Brief с использованием Highcharts.

Ученые приложили немало усилий, чтобы проверить методы, которые они используют для настройки наземных станций, чтобы убедиться, что они точно обнаруживают и устраняют проблемы, не вводя ложного потепления или охлаждения. Это включает в себя сравнительные исследования — тестирование их подхода на данных с добавлением к ним различных типов ошибок.

Они также создали в США эталонную сеть климатических станций с идеально расположенными станциями с высокоточными датчиками. Сравнивая необработанные и скорректированные станции с этой эталонной сетью, ученые показали, что корректировки значительно повышают точность данных.

Несмотря на то, что многое было сделано в отношении поправок к отдельным наземным станциям, которые усиливают потепление, часто это крайние случаи, выбранные специально для того, чтобы подчеркнуть свою точку зрения. Когда учитываются корректировки для всех станций, столько же уменьшают потепление, сколько увеличивают потепление, как показано на рисунке ниже от NOAA.

Гистограмма корректировок NOAA для наземных температурных станций за пределами США в старой (синий) и новой (красный) версиях их алгоритма корректировки. Подробности и дополнительные данные по США можно найти на веб-сайте NOAA.

Здесь примерно половина всех поправок снижает температуру, а половина ее повышает. Например, одна станция в Дарвине, Австралия, была скорректирована, чтобы показать большее потепление, чтобы учесть перемещение станции и смену укрытия в 1940-х годах. Тем не менее, настройка другой станции — на этот раз станции в Токио, Япония — уменьшила потепление, которое она показывает, чтобы скорректировать эффект городского теплового острова расширяющегося города.

Ученые также работали над увеличением количества доступных для использования записей о температуре земли, собирая и оцифровывая старые записи о температуре со всего мира. Новые усилия, такие как Международная инициатива по температуре поверхности (ISTI) и Проект температуры поверхности Земли в Беркли, помогли увеличить количество доступных исторических наземных станций примерно на 500% по сравнению с предыдущими коллекциями станций и обеспечили лучший охват регионов Земли. как показано на рисунке ниже.

Количество наземных станций, имеющихся в старой коллекции станций NOAA (черный цвет) и новой коллекции Международной инициативы по приземной температуре (красный цвет). Рисунок из ИСТИ.

Корректировка температуры океана

Улучшения в измерении температуры не ограничиваются землей — возможно, еще более значительные успехи произошли в том, как измеряется температура в наших океанах.

Самым большим изменением на сегодняшний день является переход от измерений на основе ковша к впускным двигателям на кораблях в 1930-х и 1940-х годах. Это «единственное, что имеет значение» в глобальном масштабе, говорит исследователь из Мейнутского университета доктор Питер Торн, который работал с NOAA над созданием своего рекорда температуры океана.

До 1940 года большинство кораблей измеряли температуру, бросая ведро за борт в воду, вытягивая его на палубу с помощью веревки и втыкая в ведро термометр для измерения температуры воды. Проблема в том, что температура воздуха часто намного теплее или холоднее, чем температура океана. Когда ведро медленно поднимают на палубу, вода нагревается или остывает.

В 1930-х и 1940-х годах большинство кораблей перешли на измерение температуры через воздухозаборники машинного отделения. Корабли втягивают морскую воду через корпус для охлаждения двигателя, и температура воды измерялась по мере ее поступления. Это привело к тому, что показания температуры немного отличались от показаний при использовании ведер, поскольку, несмотря на то, что машинные отделения теплые, у воды было мало времени, чтобы нагреться или остыть перед измерением.

Необработанные и скорректированные записи температуры океана показаны на рисунке ниже, при этом корректировка ведра довольно заметна и составляет около 0,3°C.

Глобальная скорректированная и необработанная температура поверхности моря. Аномалии нанесены относительно базового уровня 1961–1990 гг. Диаграмма Carbon Brief с использованием Highcharts.

Большие корректировки ковша до 1940 года значительно уменьшают долгосрочное потепление в записи, что приводит к снижению потепления с 1880 года на 36% по сравнению с необработанными данными о температуре. В последние годы корректировка температуры океана немного увеличивает скорость потепления примерно на 4%.

С 1990 года способ измерения температуры океанов снова изменился.Если 20 лет назад около 90 % измерений производилось с судов, то сегодня почти 80 % — с буев, плавающих в океане. Эти буи находятся в непосредственном контакте с водой и в конечном итоге показывают температуру немного ниже, чем измерения, сделанные в воздухозаборниках машинного отделения.

Чтобы скорректировать погрешность, связанную с более низкими температурами, вызванную добавлением более холодных данных буев к более теплым судовым данным, температуры за последние годы немного повышены. Этот факт оказался довольно спорным после публикации статьи Тома Карла и его коллег в 2015 году, но с тех пор был подтвержден другими исследованиями. Однако чистый эффект этих корректировок, связанных с буями, относительно невелик.

Записи из разных групп

Также стоит отметить, что поправки к температурным рекордам не решаются одной группой ученых. Скорее, несколько разных исследовательских групп независимо друг от друга создали свои собственные записи температуры суши и океана.

Хотя большая часть базовых исходных данных одинакова, каждый из них использует несколько иной подход к корректировкам и к тому, как работать с областями земли с отсутствующими данными. Полученные глобальные записи температуры из пяти разных групп вместе с необработанными данными показаны на рисунке ниже.

Средняя глобальная температура поверхности по данным NASA, NOAA, Hadley/UEA, Berkeley Earth и Cowtan and Way. Аномалии нанесены относительно базового уровня 1961–1990 гг. Диаграмма Carbon Brief с использованием Highcharts.

NOAA и НАСА используют один и тот же подход к корректировке для суши и океанов, хотя НАСА применяет дополнительную поправку для городских островов тепла, которая дает станциям в городах меньший вес. Запись, подготовленная совместно Центром Хэдли Метеорологического бюро Великобритании и Отделом климатических исследований Университета Восточной Англии, имеет собственный подход, основанный в основном на национальных метеорологических службах для корректировки данных в своих странах. Он также имеет свой собственный отдельный рекорд температуры океана с собственным подходом к настройке.Запись температуры, сделанная исследователями Коутаном и Уэем, просто использует данные Хэдли с другим подходом для областей с отсутствующими данными, таких как полярные регионы.

Проект Berkeley Earth Surface Temperature, который был основан как независимая неправительственная группа для независимой оценки записей о температуре поверхности, имеет свой собственный уникальный подход к корректировке данных о наземных данных. Это позволяет обнаружить проблемы на локальных станциях и обрезать запись станции в том месте, где обнаружена проблема. Все, что после этой точки, считается новой станцией. Для температуры поверхности моря Беркли использует скорректированную запись океана Хэдли.

Изменение версий наборов температурных данных

Те, кто скептически относится к корректировкам температуры, часто пытались показать их влияние, сравнивая более старые и новые версии одной и той же записи температуры. Проблема с этим подходом заключается в том, что он рискует объединить изменения в доступности данных, методологии и корректировках.

Однако, даже если сравнивать различные версии предыдущих записей, изменения во времени между записями, как правило, относительно невелики. На приведенных ниже диаграммах показаны различные версии наборов данных NASA и Hadley/UEA, опубликованных за последние 30 лет.

Сравнение скользящих средних за 5 лет прошлых и текущих версий записи Хэдли/UEA (вверху) и записи НАСА (внизу). Аномалии нанесены относительно базового уровня 1961–1990 гг. Диаграмма Carbon Brief с использованием Highcharts.

Последующие обновления наборов данных после середины 1990-х годов на самом деле довольно малы и в основном отражают такие факторы, как увеличение доступности данных станций в Арктике и недавние корректировки, такие как поправки на переход судно-буй. Только когда вы сравниваете их с оценками глобальной температуры 1980-х годов, выявляются большие различия.

Это связано с тем, что в оценках глобальной температуры в начале 1980-х годов было гораздо меньше данных для работы. Ученым еще предстояло провести кропотливую работу по сбору и оцифровке большей части мировых температурных рекордов из бумажных бортовых журналов.

В 1981 году, например, НАСА полагалось всего на несколько сотен наземных станций, почти полностью расположенных в Северном полушарии, для оценки глобальной температуры. В их записи температуры даже не использовались данные о температуре поверхности моря до 1990-х годов. Сегодня ученые собрали записи с более чем 32 000 наземных станций и более 1,2 млн наблюдений за температурой поверхности моря в год.

Как количество включенных станций, так и методология, используемая для наборов данных о глобальной приземной температуре, со временем менялись. Вместо того, чтобы сравнивать различные версии существующих наборов данных, гораздо проще проанализировать все необработанные записи температуры, доступные сегодня, и сравнить их с скорректированными данными. Это позволяет ученым изолировать только эффект корректировок.

Вывод

Имея почти 200 лет необработанных данных для работы, корректировки являются необходимой частью методологии для ученых, строящих долгосрочные рекорды глобальной температуры. Но большинство этих корректировок невелики и относительно мало влияют на температурные рекорды за последние несколько десятилетий.

Наиболее важным из них является переход от ведер к забору воды с судов в записях температуры океана в 1930-х и 1940-х годах, и эти изменения хорошо понимаются учеными. И, вопреки распространенному мнению, корректировки на самом деле уменьшают, а не увеличивают масштабы глобального потепления за последнее столетие.

Методологическая сноска

Записи глобальной температуры, температуры суши и океана из необработанных и скорректированных данных, показанные в статье, были построены следующим образом:

Земля: как необработанные, так и скорректированные данные о температуре земли были получены из Ежемесячной версии 4 Глобальной исторической климатологической сети. Записи станций были преобразованы в аномалии по отношению к базовому периоду 1961-1990 годов. Станции с перекрытием менее 10 лет с базовым периодом были отброшены. Станции были отнесены к ячейкам сетки широты/долготы 5×5. Аномалии за каждый месяц усреднялись в пределах каждой ячейки сетки.Оценка глобальной температуры суши была рассчитана по средневзвешенному по площади ячейке сетки за каждый месяц.

Океан: Необработанные данные о температуре океана с кораблей и буев доступны на ICOADS. Для этого анализа был использован нескорректированный продукт с координатной сеткой, предоставленный HadSST3. Скорректированные записи температуры океана были взяты из продукта с координатной сеткой ERSSTv4.

Глобальные: глобальные температуры суши/океана оценивались по взвешенной комбинации температуры суши и океана, с весами 0,71 для океана и 0,29 для суши, представляющими их относительную часть поверхности Земли.

Примечание: Автор этой статьи был членом группы, разработавшей проект Berkeley Earth Surface Temperature. Кроме того, он является ведущим автором упомянутого документа, посвященного оценке поправок к буям Карла и др., 2015 г., и документа о сравнении эталонных сетей климатических данных США.