Tropical hot spot – att hantera vetenskapliga osäkerheter

Då och då dyker det upp ”bevis” för att växthuseffekten inte orsakar uppvärmningen. 2008 skrev exempelvis matematikern David Evans en debattartikel i The Australian som fick enorm spridning (Evans ligger bakom Notch-Delay Solar Theory, en av klimatdebattens märkligaste hypoteser). Den handlade om vad som brukar benämnas the tropical hot spot:

När jordytan värms upp avdunstar vatten och stiger uppåt där det så småningom kondenserar till flytande form igen. Detta gör att vattenångan för med sig energi upp i atmosfären som sedan avges när vattnet kondenserar. Ett resultat av det är att atmosfären (troposfären) förväntas värmas upp snabbare än markytan. Effekten förväntas vara särskilt tydligt i tropikerna där det är varmare och finns mer fukt – därav namnet tropical hot spot. Evans hävdade att denna uppvärmning inte kunde observeras och därmed var ett bevis för att växthuseffekten inte låg bakom uppvärmningen.

”If there is no hot spot then an increased greenhouse effect is not the cause of global warming. So we know for sure that carbon emissions are not a significant cause of the global warming. If we had found the greenhouse signature then I would be an alarmist again.

Till att börja med: the tropical hot spot är INTE specifik för en växthusgasdriven uppvärmning, den förväntas uppstå oavsett vad uppvärmningen beror på. I bilderna nedan visas modellkörningar från växthusgas- respektive enbart ”soldriven” uppvärmning, x-axeln visar bredddgraden, det vill säga mitten motsvarar ekvatorn och hörnen polerna, y-axeln är höjden i atmosfären):

Växthuseffektens så kallade fingeravtryck (myntad av Manabe 1967 om jag inte missminner mig) handlar istället om att stratosfären kyls av (den blå färgen i högst upp i bilden till vänster). Detta fenomen förväntas ej om uppvärmningen orsakas av en ökad solinstrålning (till höger).

Frågan om troposfärens uppvärmning har debatterats länge, just detta ståhej bottnade i att två vetenskapliga artiklar i ämnet publicerades 2007/2008 – men med helt motsatta slutsatser: den ena [i) Douglass et al] hävdade att modellerna inte stämde med de verkliga observationerna av temperaturen i den tropiska atmosfären, medan en annan [ii) Santer et al] visade att, jo det gjorde de visst!

Enligt Douglass artikel så såg skillnaderna mellan modeller och observationer ut så här (atmosfärens vertikala temperaturprofil finns på x-axeln):

Santers artikel menade istället att situationen såg ut så här (nu är atmosfärens vertikala temperaturprofil på y-axeln, det gråa visar modellernas felmarginaler):

Hur är detta möjligt? Det finns två saker att fråga sig här: hur fel ute är modellerna? (ALLA vetenskapliga modeller är nämligen felaktiga, frågan är bara hur mycket och om det är relevant för slutsatserna). Det andra är om mätningarna ger sanningsenliga värden.

Det kom snart flera artiklar i ämnet som visade att jo, modellerna stämde överlag ganska bra med observationerna. En slutsats som i sin tur kritiserades i andra artiklar… (ni hittar ett urval här). Några år senare (2013/2014) gjordes ett försök att klargöra de ”olika sidornas” ståndpunkter via en Climate Dialogue. Tre forskare (Carl Mears, RSS – som sammanställer mätserier från satelliter; John Christy, UAH – gör samma sak som RSS men kommer till olika slutsatser; och Steve Sherwood, professor vid Climate Change Research Centre i Wales) fick skriva var sitt inlägg och sedan följde en lång modererad diskussion i kommentarfältet.

Det märks en tydlig skillnad i deras argumentation. ”IPCC-kritiska” Christy tycks vara ganska säker på att observationerna är tillförlitliga och fokuserar på att visa att modellerna är felaktiga i sin bedömning av hur den tropiska atmosfären ska värmas upp. Han menar därför att klimatmodeller generellt inte bör användas för att sätta någon politisk policy hur ”mänskligheten” ska agera. Han visar hur modeller och mätningar skiljer sig åt med bl a följande bild:

En bild som i olika varianter ständigt används för att visa att modellerna inte stämmer. Mears (och andra) har kritiserat Christy för att utelämnat vissa dataserier, använt ett medelvärde av flera mätserier istället för att redovisa dem separat och för att utelämna felmarginalerna, vilket ger en felaktig bild av hur stor skillnaden är (ingen förnekar att för just den tropiska troposfären ligger observationerna i det lägre spannet jämfört med modellerna). Mears visualiserar det så här:

Översta bilden visar observationer och nedersta visar modellerna som användes till IPCC rapporten AR5 från 2013. Enligt modellerna ska troposfären värmas upp ca 1,4 gånger snabbare än jordytan, det är vad som menas med ”Scaling ratio” på x–axeln. Så felmarginalerna överlappar. Mears slutsats är dock att det finns så stora osäkerheter i både mätningar och modeller att det varken går att bevisa eller motbevisa huruvida det finns en tropisk hot spot eller inte.

Han visar också följande bild för att visa att de mätserier som finns från 1978 är korta och det först under senare år kunnat ge statistiskt mer tillförlitliga värden. Med korta serier blir bruset/variationerna alltför stora.

Sherwood är lite inne på samma linje, han har dessutom publicerat studier som tittat på tropiska vindar som drivs av temperaturgradienter. Ett indirekt sätt att uppskatta temperaturen som undviker många av de felkällor som finns i temperaturmätningarna. Enligt dessa studier stämmer modellernas prediktioner bra överens med observationerna.

Mycket av diskussionen handlar om vilka mätserier som är tillförlitliga och om de bör uteslutas eller inte. [lägger till 17/2: Här RATPACK från Free et al. (2005) Radiosonde Atmospheric Temperature Products for Assessing Climate (RATPAC): A new data set of large‐area anomaly time series. Journal of Geophysical Research.:

Bilden tagen från Climate Feeedback.]

Det blir för en lekman helt omöjligt att ha en åsikt (se gärna kommentarsfältet) – inte för att det förhindrar många från att ha det…

Det finns mätserier av temperaturen i troposfären från 1958 som har uppmätts via radiosonder (det vill säga väderballonger). Från 1978 har man även mätt via satelliter. Men varken radiosonder eller satelliter är fria från betydande felkällor. Det finns en lång rad olika mätserier som använder olika metodiker och tekniker, satelliter har bytts ut och de har använts under olika tidsavsnitt. Satelliter driver en aning med tiden och det är ingen enkel match att få fram en temperatur från dessa mätningar – de mäter heller inte temperaturen direkt utan indirekt och det krävs en hel del modellerande och korrektioner innan det är klart.

Bild: De satelliter som använts i mätningarna och hur tidpunkten för varje mätning för respektive punkt på jorden drivit med tiden:

På nittiotalet visade exempelvis UAH:s mätserie att troposfären kyldes av, men det visade sig bero på att de inte korrigerat för den här typen av drift på rätt sätt. Alla mätserier uppdateras och korrigeras med tiden allteftersom man blir medveten om felkällor.

Radiosondsmätningarna i tropikerna är också ganska få jämför med de som gjorts på norra halvklotet, vilket förstås ger betydande osäkerheter i resultaten:

Bilden är från Real Climate, som också påpekar att instrumenteringen har ändrats många gånger och att det finns många kända felkällor som kan vara svåra att korrigera för (exempelvis värmer solen då mätningar görs under dagtid). Det har gjorts, och görs, många försök att korrigera för felkällor i dessa mätningar. Det brukar kallas homogenisering av data och ja, alla gör det, även IPCC-kritiska forskare som Christy och Spencer. En del av den kritik som fördes fram mot Douglass artikel nämnd ovan var att de inte ens nämnt de senaste studierna i detta avseende, trots att de bevisligen var medvetna om dem. Likaså att de inte redovisat alla tillgängliga mätserier.

Den här typen av diskussioner är standard i forskningsfronten, oavsett område. Så motbevisar osäkerheterna en växthusgasdriven uppvärmning? Nej, inte alls. Hot spoten förväntas som sagt uppstå oavsett vad som orsakar jordytans uppvärmning. Att jordytan värms upp är odiskutabel (och där presterar också modellerna bra). Likaså visar mätningarna att stratosfären kyls av precis som förväntat (växthuseffektens ”fingeravtryck”). Alla mätserier från troposfären visar en uppvärmning, det är bara hastigheten som skiljer, här från BAMS 2018 (Både Mears och Christy var författare till detta kapitel):

Den här typen av osäkerheter är reella och förstås en utmärkt källa till att så tvivel om vad som är sant. Så kallade ”skeptiker” väljer uppenbarligen att enbart förlita sig på en pusselbit och blunda för allt annat. Ibland får jag intrycket av att samhället blivit allt sämre på att hantera osäkerhet, det har särskilt blivit tydligt i den rådande pandemin. Man vill ha säkra svar, leverans av vaccin på exakt utsatt tidpunkt trots att man knappt hunnit köra in tillverkningsprocesserna i fabrikerna och så vidare. Alla ”avvikelser”, felaktiga beslut eller osäkerheter ska förklaras med en bakomvarande konspiration.

IPCC AR5 Chapter 2: Based on multiple independent analyses of measurements from radiosondes and satellite sensors it is virtually certain that globally the troposphere has warmed and the stratosphere has cooled since the mid-20th century. Despite unanimous agreement on the sign of the trends, substantial disagreement exists among available estimates as to the rate of temperature changes, particularly outside the NH extratropical troposphere, which has been well sampled by radiosondes. Hence there is only medium confidence in the rate of change and its vertical structure in the NH extratropical troposphere and low confidence elsewhere.


[i] Douglass DH, Christy JR, Pearson BD, Singer SF. A comparison of tropical temperature trends with model predictions. Int J Climatol 2008, 27:1693–1701

[ii] Santer, B.D.; Thorne, P.W.; Haimberger, L.; Taylor, K.E.; Wigley, T.M.L.; Lanzante, J.R.; Solomon, S.; Free, M.; Gleckler, P.J.; Jones, P.D.; Karl, T.R.; Klein, S.A.; Mears, C.; Nychka, D.; Schmidt, G.A.; Sherwood, S.C.; Wentz, F.J. Consistency of modelled and observed temperature trends in the tropical troposphere. Int. J. Climatol. 2008, doi:1002/joc.1756

Hur bra är klimatmodellerna?

Hur är det möjligt att synen på hur bra/dåligt klimatmodellerna fungerar kan vara så totalt olika beroende på vem man pratar med? Se på bilderna nedan, båda graferna kommer från ”forskarvärlden”: Till vänster har ni en version från IPCC-gänget (tagen från Carbon Brief)  medan den till höger är framtagen av den ”IPCC-kritiske” forskaren Christy som ett bevis på hur dåliga de är.  Vad ska man tro?

Många självutnämnda skeptiker verkar stanna vid Christys graf och skriver en insändare i SvT Opinion om hur klimatforskningen bara är en stor bluff. Ni får kalla mig vad ni vill, jag blir ändå nyfiken på hur det är möjligt… Är du?

 

Left: Projected warming from the IPCC Fifth Assessment Report (mean projection–thick black line, two-sigma upper and lower bounds shown by thin dotted black lines). Dashed black line shows blended model fields. Chart by Carbon Brief using Highcharts.

Right: John Christy graph

 

Klimatmodellerna är nog det mest bespottade inom den här debatten (om man nu kan kalla det för det). Och det är kanske inte så konstigt för på något sätt ska all klimatforskning knölas in i dem och det spänner över många komplexa områden. Och nu ska jag förklara hur allt fungerar och bedöma om det är rimliga beräkningar? Nej, det vore ganska fånigt, men läs gärna om klimatmodellering på Carbon Brief.

Det finns en radda olika modellvarianter med olika användningsområde och komplexitet. Vad jag förstår finns det ett trettiotal olika forskargrupper som utvecklat sina egna globala klimatmodeller, men man försöker harmonisera och utvärdera dem i vad som brukar kallas Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), som i senaste omgången (CMIP5) involverade 62 olika modeller från 29 olika forskargrupper.

[Till nästa IPCC-rapport 2021 räknar man med ett hundratal olika modeller (CMIP6) men det verkar oklart om alla hinner klart, studierna ska ju publiceras enligt konstens alla regler].

För att modellerna ska fungera måste man programmera dem med kända fysikaliska parametrar från komplexa processer och likaså måste man förstås mata in mängder av data från mätningar som i sin tur kan ha tagits fram via viss modellering och nödvändiga korrektioner osv. Man måste också anta hur stora de framtida utsläppen kommer vara, vilket är snudd på omöjligt, därför har man valt att använda olika bestämda nivåer för att få en bild av hur det kommer se ut vid år 2100 (Representative Concentration Pathways). Det går med andra ord inte att jämföra varje modellkörning rakt av, vilket gör möjligheterna att få till en givande vuxendebatt™ i det närmaste oändliga.

För att ta de två exemplen ovan: ”IPCC”-varianten visar modellerna (innanför de grå linjerna) jämfört med de uppmätta temperaturerna vid jordytan. Christys graf däremot visar temperaturen i troposfären (dvs från jordytan upp till nedre delen av stratosfären, med mittpunkten vid ca 7600 möh).

Christys graf kommer inte från en vetenskapligt publicerad och granskad artikel utan från ett kongressförhör i USA 2016, där han (och andra) ville visa att klimatmodellerna överdriver uppvärmningen. Det är ingen hemlighet  att modellerna inte helt lyckats prediktera temperaturen i troposfären. (Mörkandet är så dåligt utfört att IPCC råkade få med det här i summeringen av IPCC WG1AR5 från 2013:

Most, though not all, models overestimate the observed warming trend in the tropical troposphere over the last 30 years, and tend to underestimate the long-term lower stratospheric cooling trend.)

Men ändå var Christy tvungen till att ”fixa till” grafen så det ser värre ut än vad det är, Gavin Schmidt på NASA förklarar ingående här. Jämför de båda bilderna nedan. Till vänster ser ni Christys graf med kommentarer på vad han ”råkat missa”.  Till höger ser du hur samma sak presenteras men med en mer korrekt hantering av data enligt Schmidt.

 

Vänster: Christys graf med kommentarer Höger: samma data, annan framställning

 

Men som sagt, modellerna visar som synes fortfarande en högre temperatur än de uppmätta. Så Christy har rätt i sak ändå alltså? Det är ju dessutom satellitdata så de måste ju vara de bästa data vi har. Eller, är det inte riktigt så enkelt?

Det satelliten mäter är egentligen inte temperaturen i troposfären utan vissa specifika mikrovågor som syre avger beroende på vilken temperatur molekylen har. Genom att välja särskilda ”emissionsband” och olika vinklar på dessa vågor genom atmosfären och vikta dem olika kan man sen teoretiskt översätta det till en medeltemperatur i atmosfären. Med andra ord, det måste till en hel del modellerande, kalibrerande, korrigering för drift över tid, apparatteknik, kodning osv för att få fram en temperaturserie. Man riskerar också att få med en del ”kontamination” från jordytan liksom från stratosfären (som kyls ner pga växthuseffekten).

Det finns två-tre satelliter som kontinuerligt mäter dessa mikrovågor och i huvudsak två grupper som processar datan, UAH och RSS. Svårigheterna visas i och med att de får något annorlunda värden, särskilt efter år 2000. (Motsvarande mätningar för den globala temperaturen vid ytan visar inte denna skillnad mellan grupper trots olika metodiker, mätpunkter osv).

TMT+temperatures
Bild från Carbon Brief.

 

Christy, om någon, borde veta vilka problem mätningarna kan medföra; han och Spencer, som är pappor till UAH, hävdade länge att deras mätserier visade att troposfären kyldes (och blev förstås populära i vissa läger). Men det visade sig att de använt fel tecken i en algoritm som justerade för satellitens höjd som ändras pga friktion mot atmosfären. De har upprepade gånger fått justera sina mätserier (något som normalt brukar leda till blogg-uppror och stämningshot från republikanska politiker, men tydligen inte när det händer deras ”favoritforskare”).

13/8: Jag har skrivit mer om UAHs justeringar och dess skillnader jämfört med RSS i ett inlägg här: De sönderkorrigerade mätserierna.

RSS har gjort en översyn av sina mätserier och korrigerat för en del numera kända felkällor och uppvärmningstakten stämmer nu bra överens med den vid jordytan. De har också visat att RSS mätserie stämmer bättre överens med de ballongmätningar som gjorts (se länken om UAHs korrigerade mätserier ovan). Det är i alla avseenden UAHs mätserie som sticker ut.

ALLA tillgängliga mätserier visar på en stadigt uppåtgående trend och det gäller även satellitdata:

BILD 4 TV4 Satellittemp + land

 

Det blir onekligen lite märkligt när de som mest högljutt hånar klimatmodellerna kräver att vi enbart ska ta hänsyn till två extremt modellerade mätserier och ignorera den uppsjö av mätserier etc vi har från jordytan. Kolla gärna på videon där forskare kommenterar det beryktade Kongressförhöret.

 

Men självklart vill forskarna veta varför modellerna skiljer sig från uppmätta värden i troposfären. Studier har identifierat en del orsaker, inget tyder på att modellerna skulle vara för ”känsliga med avseende på CO2-halten”, men det får ni läsa om själva till exempel här.

Samtidigt har modellerna predikterat förändringarna vid ytan, där forskarna har ohyggligt mycket mer tillförlitligare data att jobba med, fantastiskt bra. Men i vuxendebatten™  hänvisar man enbart till Christys graf och jämför äpplen och päron så får man en fantastisk körsbärsplockad kompott värd sin tid där många inte verkar ett dyft intresserade av att vilja veta.

Men det är ingen som hymlar om att det finns utmaningar, osäkerheter och processer som man inte har riktig koll på, läs till exempel här. Eller varför inte själva IPCC rapporten? Men varför ska vi vara övertygade om att osäkerheterna är vår vän? Till exempel issmältningen har gått snabbare än vad modellerna förutspått.

Det här är naturligtvis ett outtömligt fält att prata om och jag vet vad replikerna kommer vara, Urban Heat Islands, vädret är kaosartat och kan inte spås (naturligtvis har forskarna ingen aning om detta), fipplande med mätdata, efterhandskonstruktioner osv. Ja, jag litar på att vetenskapen för denna debatt via sina granskade artiklar istället för i en konspiratoriskt lagd bloggosfär.

Ta en titt på hur modellerna har presterat i videon nedan, jag tycker det är ganska imponerande eller läs en genomgång på Carbon Brief här.

Avslutar med en kommentar från Gavin Schmidt, NASA:

The bottom line is clear though – if you are interested in furthering understanding about what is happening in the climate system, you have to compare models and observations appropriately. However, if you are only interested in scoring points or political grandstanding then, of course, you can do what you like.

 

Här är ytterligare en video som kan vara värd att titta på om klimatmodeller: