Satellieten, oppervlaktetemperatuur en opwarming

• “Als alle data beschikbaar komen dan zullen we zien dat 2015 het warmste jaar zal zijn dat de aarde heeft meegemaakt sinds we betrouwbare data hebben.”
• “Er is geen significante opwarming van de aarde gedurende de laatste 18 jaar.”

Twee citaten uit een video van Peter Sinclair die je onderaan dit blogstuk kunt vinden. De video is gemaakt naar aanleiding van een hoorzitting in de Amerikaanse Senaat (8 december 2015) waarin presidentskandidaat Ted Cruz zijn beste ‘klimaatsceptische’ beentje voorzet. Het warmste jaar en tevens geen opwarming, om Frank Boeijen te parafraseren: Is iedereen de temperatuur-weg kwijt? Warmt de aarde nou op of niet? Daar kunnen we kort over zijn: Jazeker warmt de aarde op en wij mensen zijn daar de veroorzakers van.

Het eerste citaat refereert aan de temperatuur aan het aardoppervlak: gegevens van allerlei weerstations, samen met gegevens van temperatuurmetingen aan het oceaanwater van schepen of boeien. Als je alle gegevens van al die temperatuurmetingen bij elkaar voegt en goed middelt, krijg je de gemiddelde temperatuuranomalie aan het oppervlak van de aardbol. Klinkt simpel. Maar zoals zo vaak met meten, en zeker als je terug gaat in de tijd, is het zo simpel helaas niet. De weerstations zijn in de loop der tijd gewijzigd en/of verplaatst, er zijn andere typen thermometers in gehangen en het tijdstip van meten (of eigenlijk: aflezen) is zo nu en dan veranderd. Voor de temperatuur van het oceaanwater geldt iets vergelijkbaars, eerst werd de temperatuur van het water in een emmer gemeten, later bij de inlaat van de motoren en tegenwoordig ook met boeien. Uit al die verschillende soorten meetdata genereert men een gemiddelde temperatuuranomalie aan het oppervlak van de wereld, waarbij via een proces dat homogenisatie wordt genoemd, gecorrigeerd wordt voor alle onvolkomenheden en veranderingen die in de loop der tijd in de data zijn geslopen. Er zijn diverse onderzoeksgroepen die de ruwe temperatuurdata van de vele meetstations analyseren en er een mondiaal gemiddelde uit bepalen, bijvoorbeeld NOAA-NCEI, NASA GISS, Met Office/CRU, Berkeley Earth en JMA. Al deze onderzoeksgroepen zullen de komende weken aangeven (of hebben dat al gedaan) dat 2015 het warmste jaar aan het oppervlak van aarde zal zijn sinds het begin van de metingen, dat is namelijk al duidelijk geworden uit de eerste 11 maanden van 2015.

Het tweede citaat boven dit blogstuk refereert aan gegevens afkomstig van satellieten. Die satellieten hangen velen tientallen kilometers boven het aardoppervlak en hebben geen thermometer aan boord waarmee men de temperatuur op aarde kan meten. De satellieten meten straling afkomstig van zuurstofmoleculen en de intensiteit van deze straling is afhankelijk van de temperatuur. Wellicht kwam al dat rekenen en corrigeren bij de oppervlaktetemperaturen ingewikkeld over, het bepalen van de temperatuur uit satellietgegevens is nog een stuk complexer. De satellieten kunnen hoogte verliezen of het tijdstip waarop ze boven een bepaald punt op het aardoppervlak zijn kan veranderen. Men moet er zorg voor dragen dat de data van de afkoelende stratosfeer en de opwarmende troposfeer goed van elkaar gescheiden blijven en er moet rekening gehouden worden met temperatuureffecten in het meetinstrument zelf. Dan moet men er tevens voor zorgen dat de data afkomstig van een satelliet die gedurende een bepaalde periode actief was, aansluit bij een andere satelliet die actief was gedurende een andere periode. Via ingewikkelde algoritmes (in feite modellen) wordt de geobserveerde straling omgerekend naar een temperatuur van de luchtlaag in kwestie. Bij een van de twee bekende satelliet-datasets (RSS) gebruikt men zelfs een klimaatmodel voor bepaalde belangrijke correcties. UAH is bezig met een nieuwe versie van hun dataset en dat resulteert in aanzienlijke verschillen tussen hun oude en nieuwe temperatuurdata, net als bij eerdere wijzigingen die zij door hebben gevoerd. Een teken dat dit soort correcties bij de satellietdata niet bepaald eenvoudig is.
Wat tevens belangrijk is: de satelliettemperatuur-data betreffen niet het oppervlak, maar verschillende lagen van de atmosfeer. De laag het dichtst bij het oppervlak waar satellietgegevens van zijn, is de zogenoemde lagere troposfeer. Die gaat tot zo’n 10 km hoogte, waarbij het zwaartepunt zo ongeveer op 2 à 4 km hoogte ligt. Mensen, dieren en planten bevinden zich over het algemeen toch ergens aan het oppervlak van onze planeet.

De grafiek in figuur 1 geeft een overzicht van allerlei datasets betreffende de mondiale temperatuur sinds 1880 met daarin twee satelliettemperatuur-datasets en vier oppervlaktetemperatuur-datasets. In die grafiek wordt de periode 1981-2010 als nul weergegeven. Ter indicatie, volgens het WMO is de gemiddelde temperatuur op aarde in de periode 1961-1990 circa 14 °C, daar zitten we nu aan het oppervlak ongeveer 0.7 – 0.8 °C boven.

Figuur 1. De temperatuuranomalie voor de oppervlakte-datasets van NASA GISS (GISTEMP), HadCRUT4, NOAA-NCEI en de Cowtan & Way dataset, samen met de temperatuuranomalie van de satelliet-datasets van RSS en UAH (hun nieuwe 6.0 bèta 4).

Een aantal zaken kun je uit de grafiek van figuur 1 opmaken. Het is duidelijk warmer geworden op aarde sinds het begin van de 20^ste eeuw, ongeveer 1 °C. Ter vergelijking, tijdens de laatste ijstijd was het circa 4 à 5 °C kouder op aarde dan nu, dus 1 °C is een substantieel verschil. De temperatuurwaarden van de satelliet-datasets (oranje en rode lijnen) volgen redelijk de temperatuur van de oppervlakte-datasets (groene, grijze en blauwe lijnen), maar met een grotere variatie. Dat is goed zichtbaar bij bijvoorbeeld 1998, waar het verschil in temperatuur van de twee satelliet-datasets en de vier oppervlakte-datasets meer dan 0.2 °C bedraagt. Wat verder opvalt, is dat na 2005 de temperatuur van de satelliet-datasets een beetje lager ligt dan temperatuur van de oppervlakte-datasets.

De uitspraak van presidentskandidaat Ted Cruz, het tweede citaat boven het blogstuk, is gebaseerd op de trend (de gemiddelde temperatuursverandering per tijdseenheid) in een van de twee satelliet-datasets, RSS, vanaf midden 1997. Dus net voor het punt in die dataset waarbij de temperatuur zo’n grote uitschieter vertoont. Wiskundig kun je dan een berekening maken waaruit volgt dat de trend sinds midden 1997 circa 0 °C/decennium bedraagt en dus geen temperatuurstijging laat zien. Een soort hobby van Christopher Monckton die nu al een paar jaar lang elke maand op de ‘klimaatsceptische’ site WUWT verslag doet van die trend in de RSS data. Een van die grafieken van Monckton gebruikte Ted Cruz in de hoorzitting van de Amerikaanse Senaat ter ondersteuning van zijn uitspraak en deze is weergegeven in onderstaande figuur.

Figuur 2: Een grafiek van Monckton zoals die door Ted Cruz in de hoorzitting van de Amerikaanse Senaat is gebruikt. De grafiek bevat data van RSS met een lijn verkregen via lineaire regressie vanaf circa 1998 die zo ongeveer vlak loopt.

Zegt dit wiskundige sommetje nu dat er geen opwarming meer plaatsvindt op aarde? Natuurlijk niet. Start je dezelfde berekening een jaar na die gigantische piek, dus in 1999, dan vind je weer wel een stijging. Dit soort berekeningen gaat gepaard met een bepaalde onzekerheid en hoe meer variatie in de gegevens des te groter is de onzekerheid waarmee men die trend kan bepalen. De onzekerheid in de trend in de RSS-data vanaf 1998 is erg groot met ongeveer ± 0.17 °C/decennium (2 sigma, de range waarbinnen een trend met een waarschijnlijkheid van 95% zal vallen). De onzekerheden in de trendberekeningen ontbreken steevast in de grafieken van Monckton.

De grotere variatie in de temperatuur van de satelliet-datasets dan bij de oppervlakte-datasets betekent dat de onzekerheid waarmee je een trend kunt bepalen ook veel groter is. Een voorbeeld is de trend van de temperatuursverandering en de onzekerheid (2 sigma) van RSS en HadCRUT4 vanaf 1979 (start RSS-data) t/m november 2015, waarbij de onzekerheid is bepaald volgens de methode van Foster & Rahmstorf (waarbij autocorrelatie over de gehele periode in aanmerking wordt genomen):
HadCRUT4 : +0.16 ± 0.04 °C/decennium
RSS : +0.12 ± 0.06 °C/decennium
De onzekerheid bij RSS is zo ongeveer anderhalf keer die van HadCRUT4, maar allebei laten vanaf 1979 een opwarming zien. Deze berekende onzekerheid zegt alleen iets over de mate waarin de data afwijken van een rechte lijn, de “statistische onzekerheid”, en wordt dus bepaald uit de uiteindelijke temperatuurgegevens zoals de onderzoeksgroepen ze vrijgeven.

De uiteindelijke temperatuurdata van de vrijgegeven oppervlakte- en satelliet-datasets kennen echter van zichzelf ook een onzekerheid, dat zou je een “structurele onzekerheid” kunnen noemen. Meten gaat immers altijd gepaard met een bepaalde onzekerheidsmarge of meetfout dus zo’n punt in de grafieken van figuur 1 of figuur 2 is geen precies getal waarvan de afwijkingen nul zijn. Zo geeft HadCRUT4 voor 2015 een mondiaal gemiddelde temperatuurafwijking van 0.745 °C (t.o.v. 1961-1990) maar de 95% waarschijnlijkheids-range is 0.655 – 0.837 °C. Het Britse Met Office stelt voor hun HadCRUT4 oppervlaktetemperatuur-dataset voor analysemogelijkheden een soort verzameling van mogelijke temperatuuruitkomsten beschikbaar, waarbij rekening is gehouden met bijna alle bekende onzekerheden in de data. Die verzameling heet een ensemble en bestaat bij HadCRUT4 uit 100 verschillende temperatuur-sets. RSS stelt eveneens zo’n ensemble beschikbaar gebaseerd op de onzekerheid in de satellietdata. Kevin Cowtan heeft in een blogstuk op SkepticalScience de HadCRUT4 – en RSS ensembles grafisch vergeleken. Dat blogstuk is vooraf gereviewed door Carl Mears van RSS. De grafiek in figuur 3 bevat de vergelijking van Kevin Cowtan.

Figuur 3. De spreiding in de temperatuurensembles van de satelliet-data van RSS (groen) en de oppervlakte-data van HadCRUT4 (rood). De lijnen zijn alle mogelijke temperatuurreconstructies binnen het ensemble weergegeven als een voortschrijdend gemiddelde van 12 maanden. De referentieperiode van elke serie is 1979-1998. Bron: Kevin Cowtan – SkepticalScience.

De spreiding in de temperatuurensembles is bij de RSS data veel groter dan bij de HadCRUT4 data; vanwege de bovengenoemde complexiteit hebben satellietdata van de temperatuur een grotere onzekerheidsmarge dan directe temperatuurmetingen aan het aardoppervlak. Volgens Cowtan zijn als gevolg daarvan de bekende onzekerheden in de trends die je uit de RSS data kunt berekenen ongeveer vijf keer groter dan bij de HadCRUT4 data. Het HadCRUT4 ensemble bevat niet alle onzekerheden die men kent en daarnaast zijn er misschien nog onbekende onzekerheden in de satelliet-datasets, zo nu en dan wordt daar namelijk in artikelen op gewezen. Als voorbeeld: de invloed van straling afkomstig van wolken wordt mogelijk niet correct meegenomen. Uit de grafiek van figuur 1 viel op te maken dat de satelliettemperaturen lijken te divergeren van de oppervlaktetemperaturen, is er misschien sprake van een niet gecorrigeerde drift in de satellieten of is dat gewoon een gevolg van de grotere structurele onzekerheid? Mogelijk speelt hetzelfde bij de recente divergentie tussen weerballondata en de satellietdata. Dit wordt ongetwijfeld vervolgd.

De satelliet-datasets geven dus temperatuurdata die met een wijdere onzekerheidsmarge zijn omgeven (m.a.w. minder betrouwbaar zijn) dan de oppervlakte-datasets. Daarnaast representeren ze simpelweg iets anders, de lagere troposfeer is niet het oppervlak van de aarde (zie ook deze uitleg van Geert Jan van Oldenborgh van het KNMI). Door verregaande conclusies trekken uit de satelliet-datasets en de oppervlakte-datasets daarbij negeren begeef je je wetenschappelijk gezien dus op glad ijs. De uitspraak van bijvoorbeeld Judith Curry en anderen in de Senaats-hoorzitting, dat de satelliet-datasets de beste zijn die we hebben, is wetenschappelijk gezien niet gefundeerd. Dit alles betekent echter niet dat men de satelliet-datasets dan maar moet negeren. De grotere onzekerheid in de data is een nadeel, daar staat tegenover dat de satellieten zo ongeveer de hele wereldbol af kunnen scannen en ook iets kunnen zeggen over verschillende lagen van de atmosfeer.

Om te bepalen hoe het nu zit met de opwarming van de aarde, moet je naar álle datasets kijken en tevens naar andere indicatoren. Zo gaat de zeespiegelstijging onverminderd door, verliezen de grote ijskappen op Antarctica en Groenland massa en is de warmte-inhoud van de oceanen sinds 1997 sterk gestegen. Zoals Ben Santer in de video hieronder zegt:

De door ons mensen veroorzaakte opwarming van de aarde is niet gestopt, maar gaat gewoon door en aan het oppervlak zal 2015 het warmste jaar sinds het begin van de metingen zijn. Maar wellicht wordt 2016 nog warmer.

Meer info over dit onderwerp:

• Uitgebreide uitleg over de satellietdata en de uitspraken van Ted Cruz op van Carl Mears en Ben Santer: A Response to the “Data or Dogma?” hearing
• Het blogstuk van Kevin Cowtan over de statistische en structurele onzekerheden in de temperatuurdata: Surface Temperature or Satellite Brightness?
• Een nieuwe klimaatmythe op SkepticalScience: Which is a more reliable measure of global temperature: thermometers or satellites?
• Dana Nuccitelli in The Guardian: Ted Cruz fact check: which temperature data are the best?
• Tamino op Open Mind: Cherry Cruz Cherry Monckton Cherry Christy Cherry Spencer Cherry Curry
• John Abrahm in The Guardian: A striking resemblance between testimony for Peabody Coal and for Ted Cruz