Часть 1: "Горячее пятно" как предполагаемое свидетельство антропогенного глобального потепления

Большая часть недоразумений, окружающих тему температурных трендов верхней тропосферы, связана с ошибочным мнением, что наличие или недостаток усиления поверхностного потепления в верхней тропосфере имеет какое-то отношение к утверждению антропогенного характера потепления.

Это не так.

Антропогенное происхождение нынешних изменений климата может быть проверено многими различными путями. Для тех, кто имеет некоторое знакомство с земной атмосферой, одним из самых ясных примеров является охлаждение стратосферы. Если бы Солнце внезапно увеличило светимость на 2%, мы вправе были бы ожидать в качестве реакции потепления атмосферы наряду с нагревом поверхности. Это можно проверить, взглянув на реакцию GSM-подобной модели GISS ModelE:

2% увеличение солнечного воздействия (согласно RealClimate)

При удвоении доиндустриального уровня СО2 мы также можем ожидать нагрева поверхности и нижней атмосферы. Однако, в отличие от увеличения солнечного воздействия, в данном случае нижняя атмосфера не будет нагреваться на всех уровнях. Увеличенный парниковый эффект должен будет нагреть поверхность и тропосферу, но охлаждать нижнюю стратосферу.

Удвоение уровня СО2 (согласно RealClimate)

В сценарии с удвоением СО2 имеется ясно выраженное охлаждение на больших высотах, т. е. в стратосфере. Это признак, который полностью отсутствует в сценарии Солнце +2%

Это охлаждение стратосферы является признаком потепления от возросшего парникового эффекта (а не от роста светимости Солнца). Для более подробного обсуждения этого вопроса можно обратиться к дискуссиям на Skeptical Science и The Science of Doom. Другими словами, различие в результатах расчетов состоит не в наличии "горячих пятен" в одном из них и отсутствии в другом, а в охлаждении стратосферы, очевидном в случае роста СО2.

В Четвертом оценочном докладе IPCC (AR4) исторические воздействия смоделированы в  Parallel Climate Model, и средние зональные реакции температуры представлены на отдельных графиках. За рассматриваемый период наблюдался определенный рост светимости Солнца, который проявился в умеренном потеплении всей атмосферы, с некоторым его усилением в верхней тропосфере (соответственно зеленовато-желтый и желтый цвета на графике а). Как нам хорошо известно, в то же время произошло существенное увеличение воздействия парниковых газов, что выразилось в потеплении на поверхности, усиленном потеплении верхней тропосферы и охлаждении стратосферы (график с). Результат суммы всех воздействий представлен на графике f.

Рис 9.1 Средние зональные изменения температуры с 1890 по 1999 (градусы С за столетие) согласно модели PCM. (а) воздействие Солнца, (b) вулканы, (c) смесь парниковых газов, (d) изменение уровня озона в тропосфере и стратосфере, (е) прямое воздействие сульфатных аэрозолей, (f) сумма всех воздействий. График построен в диапазоне 1000-10 гектопаскалей  (левая шкала), 0-30 км (правая шкала) (IPCC AR4 WG1)

Пока все выглядело хорошо, не так ли? Но дальше дела идут вкривь и вкось.

Климатические "скептики", очевидно, убедили себя, что именно "горячее пятно на графике 9.1 с является главным признаком антропогенного потепления, о котором говорит IPCC, а вовсе не охлаждение стратосферы при нагреве тропосферы.

Как нередко бывает, Монктон служит хорошим примером неверного понимания, заявляя:

модели предсказывают, что если и только если человек является причиной потепления, воздух в тропиках на высоте около 6 миль должен нагреваться втрое быстрее, чем на поверхности, но это тропосферное "горячее пятно" не обнаружено...

Это недвусмысленно неверное утверждение также сделано в "скептическом" докладе NIPCC (Section 3.4), который был подписан такими якобы "серьезными" несогласными, как  Craig Idso и S. Fred Singer.

Ошибочное убеждение, распространенное в "скептических" кругах, гласит, что существование антропогенного потепления каким-то образом зависит от существования тропосферного "горячего пятна" - это неверно. Точка. Увеличение потепления с высотой в тропиках также является и предсказанным результатом воздействия естественных факторов, например, светимости солнца. Охлаждение стратосферы является действительным признаком потепления от возросшего парникового эффекта, а не естественного (т.е. от роста светимости Солнца) потепления.

Часть 2: Существование повышенного потепления в тропической верхней тропосфере.

Что же, существует ли в действительности "горячее пятно"? То есть нагревается ли тропосфера так, как предсказано? К сожалению, ответ на этот вопрос гораздо менее определенный, чем хотелось бы.

Есть хороший теоретический базис для повышенного потепления в верхней тропосфере по сравнению с поверхностью. Мы ожидаем, что увеличение воздействия будет приводить к влажному адиабатическому увеличению потепления с высотой, т.е. что тропосфера будет нагреваться быстрее на большей высоте. Это ожидание находит свое отражение в моделях, их вертикальный профиль потепления схож с ожидаемым при влажно-адиабатическом градиенте.

К сожалению, определить, что в действительности происходит в тропической тропосфере оказалось непростым делом. Главной причиной является качество данных главного источника наших сведений за длительный период - сети радиозондов.

Хотя во временном масштабе года или менее некоторые наборы данных с радиозондов показывают относительно неплохое соответствие с теоретическими предсказаниями, в масштабах десятилетий они дают недостаточное потепление или даже похолодание в верхней тропосфере. Однако тропики, особенно на больших высотах, представляют давно известную проблему для большинства, если не для всех, старых сетей радиозондов. И попытки получить набор данных за длительное время путем объединения сведений из нескольких сетей (с добавлением недавних спутниковых данных) также оказались проблематичными. Было предпринято много попыток количественно оценить отклонения и компенсировать их (напр. Randel 2006, Sherwood 2008). Несмотря на то, что достигнут некоторый успех в "примирении" данных наблюдений с теоретическими и модельными предсказаниями с перекрытием их интервалов неопределенности, реальное поведение тропосферы остается до сих пор неясным (Bengtsson 2009, Thorne 2010).


Allen и Sherwood попытались полностью обойти проблему данных радиозондов и исследовали "динамическое соотношение, известное как уравнение ветер - температура, которое связывает горизонтальный температурный градиент и сдвиг ветра". Данные о скорости ветра, в отличие от температурных данных, меньше страдают от систематических погрешностей и других ошибок и могут быть использованы как косвенный индикатор температуры. Allen and Sherwood обнаружили, что тропосфера, похоже. нагревается в приемлемом соответствии с теоретическими и модельными предсказаниями.

Вертикальный профиль средних температурных трендов в тропиках. Тренды отражают среднее изменение температуры (К за десятилетие) между 20 северной и 20 южной широты за период 1979-2005 г., по данным замеров с радиозондов (синие и зеленые линии), моделей климата (оранжевый пунктир с серой зоной, означающей отклонение 2-сигма) и новых реконструкций по замерам ветра с радиозондов (розовая линия с границами ошибки 2-сигма). Также показано изменение наземной температуры в 1979-2005 г. (серая звездочка) и профиль влажно-адиабатического градиента (желтый пунктир). Диапазон модели выведен из поведения модельного вертикального тренда ( который жестко ограничен) с его зоной неопределенности, и поверхностного тренда. До 2007 года существовали только оценки HadAT и RATPAC, что давало повод для утверждений о фундаментальном расхождении между моделями и наблюдениями. (Thorne 2008)

Недавно Johnson и Xie применили другой (и тоже не прямой) подход. Они исследовали тренды температуры поверхности моря в тропиках (SST) и осадков, которые непосредственно указывают на поведение вертикального температурного профиля тропической тропосферы.

Поскольку порог величины SST для конвекции связан с конвективной нестабильностью, этот порог должен быть жестко связан с температурой тропической верхней тропосферы.  Наблюдения показывают, что тропосферные температуры в тропиках приблизительно соответствуют влажно-адиабатическому  профилю, что подразумевает изменение температур верхней тропосферы в ответ на изменение поверхностных температур в тропиках. Гипотеза изменения по влажно-адиабатическому градиенту (MALR) предсказывает тесное совместное изменение порога SST и средней тропической SST. Если эта гипотеза верна, изменения и долгосрочный тренд порога SST могут дать важную информацию об изменениях и трендах тропической тропосферы.

Потепление климата над тропическим океаном (не в масштабе): а) климат до потепления, конвекция и тропические ливни ограничены зонами, где SST превосходит пороговое значение (пунктирная линия), а температура падает с высотой. b) Johnson и Xie показывают, что порог SST и среднее значение SST увеличились за последние десятилетия, и что зоны конвекции остались на прежнем уровне. Как результат потепления поверхности произошло большее потепление в верхних слоях аттропосферы. (Sobel 2010)

Конвекция в тропиках и, следовательно, осадки сильно зависят от температуры поверхности моря (SST). Таким образом, отсутствие роста количества осадков показывает стабильность тропосферы, что указывает на очевидно большее потепление верхней тропосферы по сравнению с поверхностью.

Сходство между трендами SST и конвекционного порога SST примерно соответствует градиенту MALR в наблюдениях и не соответствует пониженному потеплению верхней тропосферы по сравнению с поверхностью, которое можно видеть в некоторых данных наблюдений. Хотя статистическая неопределенность 30 - летних трендов довольно велика, ясное соотношение между пороговым SST и средним тропическим SST на любых масштабах времени, как в наблюдениях, так и в моделях, увеличивает уверенность в том, что тропическая атмосфера скорее всего нагревается в примерном соответствии с теоретическими ожиданиями MALR.

Временные серии тропического среднего SST и конвекционного порога SST. 30 - летние серии среднегодовых тропических SST (20° S - 20° N) (черные ромбы) и две оценки конвекционного порога SST (синие квадраты и красные звездочки). Также показаны линейные тренды. Линейные тренды с интервалами 95% вероятности для средней тропической SST, для оценки порога PD2mmd^-1 SST и для оценки порога linear P fit SST составляют соответственно 0:088±0:057;0:083±0:076 и 0:080±0:113 °C за десятилетие соответственно . Эффективная степень свободы в вычислении доверительного интервала 95% определяет запаздывание -1 автокорреляции в резидуальных временных сериях  (Johnson 2010)

Является ли вышесказанное "последним словом" усиленного тропосферного  потепления. Разумеется, нет. В идеале можно себе представить, что систематические погрешности и лакуны в данных спутников и радиозондов могут быть отсортированы, более поздние данные от новых сетей дадут более надежные результаты, и мы получим еще более ясныю картину происходящего в тропической тропосфере. А пока, впрочем, имеющиеся данные  показывают, что дела идут более или менее предсказуемым образом.

Более того, эти работы иллюстрируют некоторые ключевые аспекты науки как таковой (и  в частности климатологии), которые стоит подчеркнуть. Наука по своей природе связана с последовательным приближением к истине, она не безапелляционна и не основана на сверхъестественных откровениях. Не бывает единственных и непогрешимых вердиктов. Наука это процесс, в ходе которого мы добиваемся возможно более тесного приближения к реальности. Первые результаты не обязательно наилучшие, и уж точно не выбиты на каменной скрижали. Наши системы мониторинга, особенно с временным охватом  порядка нескольких десятилетий, изначально не были спроектированы для получения ответов на те вопросы, которые мы сейчас пытаемся разрешить с их помощью. Если перефразировать одного бывшего министра обороны, вы исследуете мир с теми инструментами, которые имеются,а не с теми, которые вы могли бы пожелать или которые желательно иметь в будущем. Было бы нам проще, если бы мы имели задействованную глобальную систему климатического мониторинга в 60-х и 70-х годах, специально спроектированную для ответов на те вопросы, которые возникают сейчас? Разумеется! Но мы должны работать с тем, что имеем, т.е. с несовершенными данными, и нам приходится изобретать способы обойти их несовершенства. Стоит упомянуть, что косвенные индикаторы используются не только для изучения прошлого. Из комментариев здесь и в других блогах я вижу, что многие считают косвенные индикаторы применимыми  только к вопросам далекого прошлого. Предполагают, что в нашем цифровом, высокоскоростном и космическом веке все определяют только прямые наблюдения. Данный случай ясно показывает, что это неверно. Непрямые методы иногда являются единственным средством (или единственной альтернативой в случае ненадежных данных).  И это не всегда плохо! Иногда взгляд на проблему под неожиданным углом позволяет полностью избежать потенциальных осложнений. Есть пагубная ложь, которую можно слышать в кругах климатических скептиков, типичным ее примером являются замечания, подобные следующим словам Дика Линдзена:

В климатологии стандартом является неизбежная "коррекция" данных, противоречащих алармизму, для приведения их в лучшее соответствие с алармистскими моделями. Никто не говорит, что эти данные совершенны, часто возможна и их коррекция. Невероятным является лишь то, что "коррекции" всегда приводит данные в лучшее соответствие с моделями.

Намек Линдзена понятен - данные наблюдений, которые не поддерживают "модели", мошеннически изменяются до приведения в соответствие с "моделями", т.е. изменение климата как минимум частично является артефактом манипуляций с данными. Говоря одним словом, это абсурд. Во первых, в силу смехотворного характера этой претензии и ее огульности, для опровержения достаточно единственного противоположного примера. Возьмем, скажем, пресловутую проблему моделей климата, дающих двойные значения ITCZ (напр. Zhang 2006). Там модели давали результат, противоречащий теоретическим представлениям и данным наблюдений. Никто не пытался утверждать, что модели были правы, а теория и наблюдения неверны.

Это иллюстрирует, впрочем, наличие крупицы правды, похороненной под конспирологической ложью Линдзена. Модели климата и теоретическая климатическая динамика/метеорология ограничены физикой, и, как правило, модели склонны соглашаться с основанным на физике теоретическим базисом метеорологии/климатической динамики. В случаях очевидных несоответствий "моделей" и наблюдений, это часто (но не всегда) означает несоответствия между общетеоретическими метеорологическими прогнозами и данными наблюдений. И часто вопрос стоит не о примирении наблюдений с моделями, а скорее о примирении данных наблюдений (часто имеющих хорошо известные систематические ошибки) с нашим пониманием физики климатической системы.

Те, кто спешит указывать на предполагаемые противоречия между моделями и наборами данных, нередко не сознают, что часто они указывают на противоречия между наблюдениями и нашим фундаментальным пониманием климатической системы, безотносительно к вопросу об антропогенном влиянии. Отнюдь не укрепляя позицию "не о чем беспокоиться", существенные недостатки в нашем понимании климатической системы должны усиливать потребность в принятии мер, это следует из необходимости управления рисками, поскольку неопределенность и неведение о последствиях повышают относительную ценность мер предосторожности. Впрочем, это тема отдельного разговора...

Ссылки:

•Allen, R.J. and S.C. Sherwood (2008): Warming maximum in the tropical upper troposphere deduced from thermal winds. Nature Geoscience, 1, 399-403, doi:10.1038/ngeo208.
•Bengtsson, L. and K.I. Hodges (2009): On the evaluation of temperature trends in the tropical troposphere. Climate Dynamics, “Online First”, doi:10.1007/s00382-009-0680-y.
•Johnson, N.C. and S.-P. Xie (2010): Changes in the sea surface temperature threshold for tropical convection. Nature Geoscience, 3, 842–845, doi:10.1038/ngeo1008.
•Randel, W.J. and F. Wu (2006): Biases in Stratospheric and Tropospheric Temperature Trends Derived from Historical Radiosonde Data. Journal of Climate, 19, 10, 2094-2104, doi:10.1175/JCLI3717.1.
•Sherwood, S.C., et al. (2008): Robust Tropospheric Warming Revealed by Iteratively Homogenized Radiosonde Data. Journal of Climate, 21, 20, 5336-5352, doi:10.1175/2008JCLI2320.1 .
•Sobel, A. (2010): Raised bar for rain. Nature Geoscience, 3, 821–822, doi:10.1038/ngeo1025.
•Thorne, P.W., et al. (2007): Tropical vertical temperature trends: A real discrepancy? Geophysical Research Letters, 34, L16702, doi:10.1029/2007GL029875.
•Thorne, P.W. (2008): The answer is blowing in the wind. Nature Geoscience, 1, 347-348, doi:10.1038/ngeo209.
•Thorne, P.W., et al. (2010) Tropospheric temperature trends: history of an ongoing controversy. WIRES: Climate Change, in press, doi:10.1002/wcc.80.
•Zhang, G.J., and H. Wang (2006): Toward mitigating the double ITCZ problem in NCAR CCSM3. Geophysical Research Letters, 33, L06709, doi:10.1029/2005GL025229.

Ответ является репостом из The Way Things Break

Последнее обновление 23 февраля 2011 года