Hætti hlýnun jarðar eftir 1998?
Þegar rætt er um hlýnun jarðar er algengt að fullyrt sé að hlýnunin hafi stöðvast eftir 1998. Árið 1998 var hlýjasta árið síðan mælingar urðu nægilega þéttar til að hægt sé að reikna meðalhita jarðar. Þetta ár er enn talið það hlýjasta, svo augljóslega hefur hætt að hlýna síðan þá, - ekki satt?
Í þessum pistli verður fjallað um það hvernig breytingar á meðalhita jarðar eru reiknaðar, og um nýjar aðferðir til leggja mat á þær. Að lokum verður reynt að svara spurningunni hér að ofan.
Samantekt veðurathugana
Á hverjum degi eru hiti og aðrir veðurþættir eru mældir víðs vegar á yfirborði jarðar. Þetta er gert nokkrum sinnum á dag, og sér Alþjóðaveðurfræðistofnunin (WMO) um að hluta þessara upplýsinga sé komið til skila, því sem næst í rauntíma til þeirra sem á þurfa að halda. Í hverju landi sjá veðurstofur yfirleitt um veðurgagnasafn sem mikilvægt er að varðveita fyrir rannsóknir, upplýsingar um veðurfar og ýmis málefni tengd innviðum þjóðfélaga (s.s. byggingarstaðla, byggðaskipulag ofl.). Alþjóðlegir gagnabankar með veðurupplýsingum byggja bæði á þeim gögnum sem WMO fær send á hverjum degi, auk annarra athugana frá veðurstofum. Þó á stöku stað hafi veðurathuganir verið stundaðar í rúmlega 200 ár, er sæmilega heillegt mælinet einungis um 150 ára gamalt.
Fyrsta skrefið í útreikningi á breytingum á meðalhita er að gæðaprófa gögnin. Tryggja þarf að mælingarnar séu innan þeirra marka sem telja má eðlileg (ef gögn frá Reykjavík sýndu 30°C í janúar væru þau líklegast röng), útrýma þarf endurteknum gögnum, skoða þarf hvort stökk séu í hitamælingum einstakra stöðva, og ef svo er þarf að athuga hvort sambærilegar breytingar eigi sér stað á nærliggjandi stöðvum. (Annars eru gögnin líklega gölluð, hugsanlega hefur stöðin verið flutt um set og það ekki skráð). Þegar búið er að gæðaprófa gögnin eru reiknuð mánaðarmeðaltöl og svo meðaltal viðmiðunartímabils (gjarnan 1961 - 1990) fyrir hverja stöð. Loks er reiknað hitafrávik hvers mánaðar fyrir hverja stöð (hitafrávikið segir hversu mikið stöðin víkur frá meðalhita viðmiðunartímabilsins). Þegar búið er að vinna úr stöðvagögnunum eru þau netsett, þ.e. yfirborði jarðar skipt í reiti og reiknað meðaltal hitafrávika allra stöðva í hverjum reit.
Ofangreind lýsing á við mælistöðvar á landi. Fyrir hafsvæði er mælinetið gisnara og mælingar stopulli, en eftir sem áður má beita sambærilegum aðferðum og fyrir land.
Meðalhitafrávik jarðar er reiknað sem meðaltal hitafrávika allra reita, bæði yfir landi og sjó. Spyrja má hvers vegna notuð eru hitafrávik, en ekki sjálfur meðalhitinn. Svarið við því er að hitafrávik eru minna bjöguð, ef kerfisbundnar skekkjur eru í hitamælingu getur hitabreytingin eftir sem áður verið rétt. Fyrir vikið eru breytingar á meðalhita betur þekktar en meðalhitinn sjálfur.
Það gefur auga leið að kanna þarf vel hvort endanleg niðurstaða sé háð mati á gæðum stöðva, og öðrum þáttum, s.s. landfræðilegri dreifingu þeirra og staðsetningu. Sem dæmi má nefna að með aukinni borgarvæðingu hlýna stöðvar þar yfirleitt í samanburði við nærliggjandi stöðvar. Með því að sleppa þessum stöðvum má leggja mat á áhrif borgarhlýnunar á hnattræna hlýnun (niðurstaðan er sú þau áhrif eru hverfandi). Einnig skiptir máli hvernig brugðist er við því þegar gögn vantar, eða reitir á yfirborði jarðar eru tómir. Lítið er um mælingar á heimskautasvæðum og þar er hætta á tómum reitum.
Samantekt af þessu tagi er gerð af nokkrum rannsóknahópum í heiminum, en þeir sem hafa verið lengst að eru breskur hópur (CRU) og bandarískur hópur (GISS). Mynd 1 sýnir hnattrænar hitabreytingar frá síðari hluta 19. aldar í báðum samantektum. Þeim ber saman um að verulega hefur hlýnað á síðustu áratugum og sveiflur ár frá ári eru oftast sambærilegar. Ef grannt er skoðað má sjá að flest ár er þó nokkur munur á hitafrávikum. Sérstaklega er augljóst að hjá CRU er 1998 hlýjasta árið, en hjá GISS er 2005 hlýjast. Uppgefin óvissumörk hjá GISS eru um 0,1°C svo þó 2005 sé hlýrra en 1998 er munurinn þar innan óvissumarka.
Samanburðurinn á mynd 1 sýnir að ólík meðhöndlun gagna hefur ekki afgerandi áhrif á niðurstöðuna, hvað varðar hlýnun síðustu áratuga og sveiflur milli ára. Til að kanna betur hvort hægt sé að rekja muninn á þessum tveimur gagnasöfnum er ráð að skoða aðferðir sem ekki byggja eingöngu á hitamælingum til að meta meðalhita jarðar og breytingar á honum.
Aðrar aðferðir
Veðurtungl
Frá 7. áratug 20. aldar hafa nokkrar þjóðir haldið úti flota veðurtungla sem tekur í sífellu myndir af jörðinni. Þessar myndir eru bæði hefðbundnar myndir sem sýna endurspeglun sólar (sýnilegt ljós) og einnig s.k. hitamyndir sem sýna varmageislun jarðar (innrautt ljós). Með réttum mælitækjum má greina styrk mismunandi bylgjulengda ljóssins á myndunum, en fyrir hitamyndirnar gefur slíkt upplýsingar um hita lofthjúpsins og yfirborðs jarðar. Nota má þessi gögn til að meta hitabreytingar í lofthjúpnum síðustu áratugi. Þessum gögnum ber ekki fyllilega saman við mælingar á yfirborði, enda mæla þau sambland af hita yfirborðs og lofthjúps. Háþróaðar aðferðir eru notaðar til þess að greina í sundur hitabreytingar í mismunandi lögum lofthjúpsins, og leiðrétta fyrir breytingum á yfirborðsgerð (s.s. samdrætti hafísþekju), brautarreki gervitungls og fleiri þáttum sem hafa áhrif á niðurstöðuna.
Þó veðurtunglin séu ekki að mæla hita, og veruleg óvissa sé á þeim hitatölum sem reiknaðar eru út frá mælingum á varmageislun jarðar, sýna veðurtunglin líka að jörðin er að hlýna. Þessi gagnasöfn eru þó svo ólík að tunglgögnin ein sér varpa ekki ljósi á muninn á CRU og GISS gögnum.
Lofthjúpsgreiningar
Á síðustu áratugum hefur orðið mikil þróun í líkönum sem spá fyrir veðri. Nokkrar stofnanir í heiminum reka reiknimiðstöðvar þar sem reiknaðar eru veðurspár fyrir allan hnöttinn, en margar þjóðir nota síðan þessar spár til að reikna ítarlegri spá fyrir "sitt svæði". Af þessum stóru stofnunum hefur Evrópska reiknimiðstöðin (ECMWF) í Reading á Englandi lengi verið sú sem gerir áreiðanlegustu spárnar, en aðrir aðilar sem keppa við hana eru m.a. veðurstofur Bretlands, Bandaríkjanna, Kanada, Frakklands, Þýskalands, Kína og Japan.
Hluti af framförum í veðurspám á undanförnum áratugum stafar af bættri lofthjúpsgreiningu. Slík greining felst í útreikningum þar sem allar mælingar á nokkurra klukkutíma bili eru notaðar til að gera augnabliksmynd af ástandi lofthjúpsins. Þessi augnabliksmynd er svo notuð sem upphafsgildi í veðurspárlíkan, einskonar útgangspunktur sem þróun veðurs næstu daga er reiknuð frá.
Fyrir rúmum áratug fór ECMWF að þróa langtímaspár, þ.e. spár fyrir nokkra mánuði fram í tímann. Til að geta athugað gæði slíkra spáa var eðlilegast að gera "langtímaspár" fyrir valin tímabil síðustu áratugi og bera niðurstöðuna saman við raunverulega þróun veðurs. Til þess að hafa mat á henni var brugðið á það ráð að gera lofthjúpsgreiningu fyrir nokkurra ára tímabil. Eftir nokkra þróun var reiknuð greining sem kölluð er ERA40 og nær yfir tímabilið 1957 til 2002. Þessi greining notaðist við allar aðgengilegar mælingar á tímabilinu, bæði frá veðurstöðvum og einnig frá háloftastöðvum. Á háloftastöðvum eru loftbelgir notaðir til að mæla breytingar með hæð á lofthita, þrýstingi, raka og vindi. Slíkar mælingar eru gerðar 2 - 4 sinnum á dag víðsvegar um heiminn, m.a. á Keflavíkurflugvelli. Auk þess var notast við gervihnattagögn ef þau voru til og byggðu sjávarhitagögnin m.a. að hluta á slíkum mælingum.
Þegar greiningin er reiknuð er veðurspárlíkan notað til þess að reikna hita, raka, loftþrýsting ofl. sem passar við mælingarnar og við eðlisfræði líkansins. Greiningin tryggir að innra samræmi sé milli þeirra gagna sem notuð eru, og er það frekara gæðaeftirlit á mælingum. ERA40 gögnin hafa verið aðgengileg til rannsókna um nokkuð skeið, en árið 2005 var formlega lokið við verkefnið og gögnin urðu aðgengileg á vef ECMWF. Þó tilgangurinn með verkefninu hafi verið stuðningur við langtímaveðurspár hefur ERA40 gagnasafnið verið notað fyrir ýmisskonar veður- og veðurfarsrannsóknir sem ekki var hægt að sjá fyrir þegar lagt var upp með verkefnið. Sem dæmi um hversu mikið gögnin eru notuð má nefna að vísindagreinin þar sem þeim er lýst (Uppala ofl. 2005) er nú um stundir sú vísindagrein innan jarðvísinda sem mest er vitnað í.
ERA40 og meðalhiti jarðar
Augljóslega má nota ERA40 gögnin til að reikna hnattrænan meðalhita við yfirborð og breytingar á honum. Bera má niðurstöðuna saman við gögnin frá CRU og GISS. Mynd 2 sýnir slíkan samanburð. Það er augljóst að ERA40 gögnin falla mjög vel að hinum samantektunum. Fyrir loftslagsvísindin er þetta ánægjuleg niðurstaða, því aðferðafræðin að baki ERA40 er gjörólík þeim aðferðum sem beitt er við samantektir CRU og GISS. Þegar mjög ólíkar aðferðir skila sambærilegum niðurstöðum eykur það tiltrú manna á þeim.
Á viðmiðunartímabilinu 1961 - 1990 er hnattrænn meðalhiti um 14,3°C. Eins og áður var nefnt er erfiðara að meta hnattrænan meðalhita en breytingar á honum, og líklegt er að óvissan á matinu sé ekki minni en 0,2°C.
ERA interim
Þó ERA40 gagnasafnið sé gríðarlega mikið notað hafa orðið framfarir í þeim vísindum sem liggja að baki lofthjúpsgreininga síðan hafist var handa við að gera ERA40. Eins og stendur er verið að verið að uppfæra þetta gagnasafn með bættri tækni, m.a. líkönum þar sem reikninetið hefur hærri upplausn. Takmarkið er að gera greiningu fyrir 20. öldina alla, ef fjármögnun fæst. Í millitíðinni er búið að vinna nýja greiningu fyrir tímabilið 1989 til 2009. Þessi greining er kölluð ERA interim (hér kölluð ERAi), og endurspeglar nafnið þá staðreynd að hún er hugsuð sem millibilsverkefni. ERA40 og ERAi ná báðar yfir tímabilið 1989 til 2001. Á þessu tímabili er ERA40 um 0,17°C hlýrri en ERAi. Ef við gerum ráð fyrir að sami munur hefði verið á milli greininganna fyrir tímabilið 1961 til 1990 (en ERAi er einungis reiknað fyrir tvö ár á þessum tíma) má reikna hitafrávik ERAi fyrir sama viðmiðunartíma og gert er á myndum 1 og 2. Þannig má bera saman CRU, GISS, ERA40 og ERAi. Mynd 3 sýnir niðurstöðu þess samanburðar.
Myndin sýnir að hitabreytingar í öllum fjórum gagnasöfnum eru í aðalatriðum eins. Í öllum hlýnar mikið á 10. áratug síðustu aldar, og í öllum er árið 1998 metár. Í þeim þremur gagnasöfnum sem ná til 2008 er 2005 hlýjasta árið á nýhafinni öld. En þó er ljóst að í CRU er 1998 greinilega hlýrra en árið 2005, en í GISS og ERAi er 2005 hlýrra. Í GISS er árið 2005 um 0,06°C gráðum hlýrra en árið 1998, en eins og áður sagði eru óvissumörkin um 0,1°C svo þessi munur er innan þeirra. Í ERAi er 2005 hinsvegar um 0,1°C hlýrra.
Hversvegna er 2005 hlýrra í sumum gagnasöfnum en ekki öðrum?
Óháð vangveltum um tölfræðilega óvissu má spyrja hvort einhver sérstök ástæða geti legið að baki því að árið 2005 er hlýjast í ERAi en 1998 í CRU. Til að kanna þetta er best að byrja á því að skoða kort sem sýnir muninn á þessum árum í ERAi (mynd 4). Myndin sýnir að munurinn er mestur yfir heimskautasvæðum. Lítið er um mælingar á þessu svæði og í CRU gagnasafninu eru þar því auðir reitir. Þegar CRU meðaltalið er reiknað er slíkum reitum sleppt, sem er jafngilt því að gera ráð fyrir að þar breytist hiti jafnmikið og meðaltalið. ERAi notar víðtækari gögn en CRU og fyllir inn gagnarýr heimskautasvæðin í samræmi við mælingar á jaðri og þannig að innra samræmis sé gætt. Í þessu tilviki virðist því mega rekja muninn á ERAi og CRU til þess hvernig CRU meðhöndlar gagnarýr svæði. Ýmsir hafa bent á að muninn milli CRU og GISS megi líklega rekja á sama hátt til heimskautasvæðanna. Í GISS eru hitabreytingar nærliggjandi stöðva notaðar til að giska á hitabreytingar á norður-heimskautssvæðinu. Ef þessar stöðvar hlýna meira en hnattrænt meðaltal hlýnar GISS meira en CRU. Þann litla mismun sem finna má á hinum ólíku gagnasöfnum má því að einhverju leyti rekja til þess hvernig hitabreytingar á heimskautasvæðum eru reiknaðar inn í gagnasafnið.
Hefur hnattræn hlýnun stöðvast á síðasta áratug?
Þegar skoðaðar eru langtímabreytingar á borð við hnattræna hlýnun þýðir ekki að bera saman tvö stök ár. Til þess eru sveiflur ár frá ári of miklar. Réttara er að bera saman meðaltöl tveggja hæfilega langra tímabila, eða skoða línulega leitni (halla bestu línu). Þetta má sjá á mynd 5 sem sýnir hnattrænar hitabreytingar í ERAi, CRU og GISS fyrir 20 ára tímabilið 1989 - 2008 (það tímabil sem ERAi nær yfir). Árshitagildin eru merkt sem litlir hringir, besta lína 20 ára tímabils er merkt sem brotalína og besta lína síðustu 10 ára merkt sem heildregin lína. Hallatölurnar má sjá í töflu 1.
Greinilegt er að í öllum gagnasöfnunum hlýnar bæði á 20 ára tímabilinu og á 10 ára tímabilinu. Því má svara spurningunni "Hætti hlýnun jarðar eftir 1998?" neitandi.
Þó er greinilegt að hlýnunin er áberandi minnst í CRU gögnunum á 10 ára tímabilinu, og í raun ekki hægt að staðhæfa að 10 ára hallatalan sé frábrugðin núlli. En eins og rakið er hér að framan, er litið fram hjá nýlegri hlýnun á heimskautasvæðum í CRU gagnasafninu, og líklegt að rekja megi minni hlýnun í gagnasafninu til þessa.
Nú kynni einhver að segja að segja að þarna sé verið að velja tímabil þannig að allar tölur séu jákvæðar. Fyrst 1998 var mjög heitt ár og 2008 í kaldara lagi er áhugavert að velja 11 ára tímabilið 1998 til 2008 og athuga hvort hlýnar eða kólnar á þessu tímabili. Hallatala bestu línu þess er -0,01°C/áratug í CRU gagnasafninu, en 0,11°C/áratug í ERAi og GISS. Á þessu 11 ára tímabili kólnar því ofurlítið í CRU safninu en hlýnar í ERAi og GISS. Í raun er þetta eina tímabilið sem sýnir kólnun í CRU gögnunum, ef valið er 12 ára, 13 ára, 14 ára, o.s.frv. tímabil (sem enda í 2008) þá er hallatalan alltaf stærri en núll. Til að forðast hlýnun þarf því að velja "rétt" gagnasafn, og gaumgæfa vel valið á tímabili. Slík vinnubrögð eru ekki til fyrirmyndar. Staðhæfingin "hlýnun jarðar frá 1998 til 2008 er engin, ef miðað er við CRU gögnin, og ekkert annað tímabil skoðað" er nefnilega mun veikari staðhæfing en "hlýnun jarðar stöðvaðist eftir 1998". Fyrri fullyrðingin er verjandi, sú síðari ekki.
Niðurstaða þessarar umfjöllunar er því sú að gögnin styðja ekki þá fullyrðingu að hlýnun jarðar hafi hætt eftir 1998.
Gæti hlýnun stöðvast tímabundið?
Áður en skilið er við þessa umræðu er mikilvægt að fram komi að það er ekki óhugsandi að náttúrulegur breytileiki í hnattrænum meðalhita valdi því að hlýnun stöðvist tímabundið þrátt fyrir undirliggjandi hnattræna hlýnun.
Mynd 6 sýnir hlýnun síðustu 20 ára (kort af halla bestu línu í hverjum reiknipunkti) í ERAi gagnasafninu. Eins og fyrr greinir þá er áberandi hlýnun á heimskautasvæðum, en á sumum svæðum, t.d. í austanverðu N-Kyrrahafi kólnar á tímabilinu. Hlýnunin á heimskautasvæðum stafar líklega af nokkrum þáttum, m.a. af náttúrulegum langtíma breytileika í hafhringrás. Slíkar sveiflur geta ýmist aukið eða dregið úr hnattrænni hlýnun. Ef mynd 1 er skoðuð vel sést að þrátt fyrir stöðuga hlýnun síðustu áratugi hafa komið tímabil þar sem lítið eða ekkert hlýnaði, - og eftir miðbik 20. aldar kólnaði um nokkura áratuga skeið. Það er því engan veginn óhugsandi að slík tímabundin kólnun gæti aftur átt sér stað, - en enn sem komið er eru engin merki í hitagögnum um að slíkt hafi gerst á síðasta áratug.
* Heimskortin sem fylgja þessari grein hafa, eins og sést, Kyrrahaf fyrir miðju. Að auki er vörpunin þeirrar gerðar, eins og algengt er, að heimsskautasvæðin sýnast hlutfallslega stór. Grænland og Ísland sjást efst í hægra horni.
