Измерения температуры с помощью устройства микроволнового зондирования - Microwave Sounding Unit temperature measurements

Сравнение наземных измерений температуры поверхности (синий) и спутниковых данных температуры в средней тропосфере (красный: UAH ; зеленый: RSS ) с 1979 по 2009 год. Тенденции нанесены с января 1982 г.

Тренды атмосферной температуры с 1979 по 2011 годы по данным спутниковых измерений.

Измерение температуры с помощью устройства микроволнового зондирования относится к измерению температуры с помощью устройства микроволнового зондирования и является одним из нескольких методов измерения температуры атмосферы Земли со спутников . Микроволновые измерения были получены из тропосферы с 1979 года, когда они были включены в состав метеорологических спутников NOAA , начиная с TIROS-N . Для сравнения: регистрация пригодных к использованию аэростатов ( радиозондов ) начинается в 1958 году, но имеет меньший географический охват и менее однородный.

Измерения яркости в микроволновом режиме напрямую не измеряют температуру . Они измеряют яркость в различных диапазонах длин волн , которые затем необходимо математически инвертировать, чтобы получить косвенные заключения о температуре. Полученные профили температуры зависят от деталей методов, которые используются для получения температуры от источников излучения. В результате разные группы, проанализировавшие спутниковые данные, получили разные тренды температуры. Среди этих групп - Системы дистанционного зондирования (RSS) и Университет Алабамы в Хантсвилле (UAH). Серия спутников не является полностью однородной - запись строится на основе серии спутников с похожими, но не идентичными приборами. Датчики со временем изнашиваются, и необходимы поправки на дрейф спутника на орбите. Особенно большие различия между восстановленными рядами температур возникают в те немногие моменты времени, когда между последовательными спутниками существует небольшое временное перекрытие, что затрудняет взаимную калибровку.

Создание спутникового температурного рекорда

С 1979 по 2005 год установки микроволнового зондирования (MSU) и с 1998 года усовершенствованные приборы микроволнового зондирования на полярно-орбитальных спутниках NOAA измеряли интенсивность восходящего микроволнового излучения атмосферного кислорода . Интенсивность пропорциональна температуре широких вертикальных слоев атмосферы , что продемонстрировано теорией и прямым сравнением с атмосферными температурами по профилям радиозондов (аэростатов).

Различные частоты выборки другого взвешенного спектра атмосферы, в зависимости от глубины поглощения ( то есть , оптическая глубина ) микроволн через атмосферу. Чтобы получить данные о температурном профиле на более низких высотах и ​​устранить влияние стратосферы, исследователи разработали синтетические продукты, вычитая сигналы на разных высотах и ​​под разными углами обзора; например, «2LT», который имеет максимум около 650 гПа. Однако этот процесс усиливает шум, увеличивает смещения межспутниковой калибровки и увеличивает поверхностное загрязнение.

Записи были созданы путем объединения данных из девяти различных MSU и данных AMSU, каждое из которых имеет особенности, которые необходимо вычислить и удалить, поскольку они могут оказать существенное влияние на результирующую тенденцию. Процесс построения температурной записи из записи яркости является трудным, и некоторые из требуемых поправок столь же велики, как и сам тренд:

Техника анализа

Весовые функции MSU основаны на стандартной атмосфере США .

Яркость апвеллинга измеряется на разных частотах; эти разные частотные диапазоны являются выборкой разного взвешенного диапазона атмосферы. Поскольку атмосфера является частично, но не полностью непрозрачной, измеренная яркость является средней по полосе атмосферы в зависимости от глубины проникновения микроволн. Яркостной температуры (Т _Б ) , измеренная с помощью спутников определяется по формуле:

${\ Displaystyle T_ {B} = W (0) T (0) + \ int \ limits _ {0} ^ {TOA} W (z) T (z) \, dz}$

где это вес поверхности, и являются температуры на поверхности и при атмосферном уровне и является функцией атмосферного взвешивание. ${\ displaystyle W (0)}$${\ displaystyle T (0)}$${\ Displaystyle Т (г)}$${\ displaystyle z}$${\ displaystyle W (z)}$

Вес как поверхности, так и атмосферы зависит от коэффициента излучения поверхности, коэффициента поглощения и угла падения на землю ; поверхностный вес - это произведение коэффициента затухания: ${\ displaystyle e_ {S}}$${\ Displaystyle \ каппа (г)}$${\ displaystyle {\ theta}}$${\ displaystyle e_ {S}}$

${\ Displaystyle W (0) = e_ {S} e ^ {- \ tau (0, \ infty) \ sec \ theta}}$

где секущий тета-член учитывает зависимость длины оптического пути от вертикального угла, а - оптическая толщина: ${\ Displaystyle \ тау}$

${\ displaystyle \ tau = \ int \ limits _ {z1} ^ {z2} \ kappa (z) dz}$

Весовые функции атмосферы можно записать как: ${\ displaystyle W (z)}$

${\ Displaystyle W (z) = \ каппа (z) \ sec \ theta e ^ {- \ tau (z, \ infty) \ sec \ theta} + \ kappa (z) \ sec \ theta e ^ {- \ tau (0, z) \ sec \ theta} (1-e_ {S}) e ^ {- \ tau (0, \ infty) \ sec \ theta}}$

Первый член в этом уравнении относится к излучению, излучаемому вверх от уровня и ослабляемому на пути к верхнему краю атмосферы (∞), второе включает излучение, испускаемое вниз от уровня z к поверхности (0), и излучение, отраженное обратно поверхностью (пропорционально ) верхнему слою атмосферы, точная форма зависит от температуры, водяного пара и содержания жидкой воды в атмосфере. ${\ displaystyle z}$${\ displaystyle e_ {S}}$${\ displaystyle W (z)}$

каналы

Канал 1 МСУ не используется для мониторинга температуры атмосферы, потому что он слишком чувствителен к излучению с поверхности, кроме того, он сильно загрязнен водяным паром / жидкой водой в самой нижней тропосфере.

Канал 2 или TMT в целом представляет тропосферу , хотя и в значительной степени перекрывается с нижней стратосферой; весовая функция имеет максимум при 350 гПа (соответствует высоте примерно 8 км) и половинную мощность примерно при 40 и 800 гПа (примерно 2–22 км).

На рисунке 3 (справа) показаны уровни атмосферы, измеренные на разных длинах волн из спутниковых измерений, где TLS, TTS и TTT представляют три разные длины волн. Обратите внимание, что самое низкое измерение, TTT, включает яркость как атмосферного, так и приземного излучения. TMT и TLT представляют собой рассчитанный диапазон высот температуры нижней тропосферы, рассчитанный с использованием модели атмосферы, как обсуждается ниже.

Канал T4 или TLS представляет температуру в нижних слоях стратосферы с пиковым значением весовой функции на высоте около 17 км над поверхностью земли.

Расчет температуры нижней тропосферы

Пытаясь получить данные для более низких высот и устранить влияние стратосферы , несколько исследователей разработали синтетические продукты, которые вычитают значения для больших высот из измерений на минимальной высоте (TMT). Такой метод анализа данных зависит от моделирования влияния высоты на температуру. Однако этот процесс усиливает шум, увеличивает смещения межспутниковой калибровки и увеличивает загрязнение поверхности. Спенсер и Кристи разработали синтетический продукт «2LT» (позже переименованный в «TLT») путем вычитания сигналов под разными углами обзора; это имеет максимум около 650 гПа. Продукт 2LT прошел множество версий, в которые были внесены различные исправления. Другая такая методология была разработана Фу и Йохансоном, канал TTT (общая температура тропосферы) представляет собой линейную комбинацию каналов TMT и TLS: TTT = 1,156 * TMT-0,153 * TLS для глобального среднего значения и TTT = 1,12 * TMT- 0.11 * TLS в тропических широтах

Поправки к измерениям

Суточный отбор проб

Все приборы MSU и, в меньшей степени, AMSU медленно отклоняются от солнечно-синхронного времени пересечения экватора, изменяя местное время, наблюдаемое прибором, поэтому естественный суточный цикл может быть наложен на долгосрочный тренд. Коррекция суточной выборки составляет порядка нескольких сотых ° C / декаду для TLT и TMT.

Распад орбиты

Все спутники на полярной орбите теряют высоту после запуска, орбитальный распад сильнее в период повышенной солнечной активности, когда усиленное ультрафиолетовое излучение нагревает верхние слои атмосферы и увеличивает сопротивление трения космического корабля.

Орбитальное затухание изменяет угол обзора прибора относительно поверхности и, таким образом, наблюдаемую микроволновую излучательную способность, кроме того, долгосрочные временные ряды строятся путем последовательного слияния интеркалиброванных спутниковых данных, так что ошибка суммируется по времени, требуемая поправка составляет порядка 0,1 ° C / декаду для TLT.

Изменения калибровки

После того, как каждый инструмент MSU для сканирования Земли использует дальний космос (2,7K) и бортовые теплые цели для выполнения калибровочных мер, однако по мере того, как космический корабль дрейфует по суточному циклу, температура калибровочного целевого объекта может измениться из-за изменения эффекта солнечного затенения, поправка будет порядка 0,1 ° C / декаду для TLT и TMT.

Один из широко известных спутниковых температурных рекордов был установлен Роем ​​Спенсером и Джоном Кристи из Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH). Данные получены в результате череды различных спутников, и проблемы с взаимной калибровкой между спутниками важны, особенно NOAA-9, на который приходится большая часть различий между анализами RSS и UAH. NOAA-11 сыграл значительную роль в исследовании 2005 г., проведенном Mears et al. выявление ошибки в суточной коррекции, которая приводит к 40% скачку тренда Спенсера и Кристи с версии 5.1 на 5.2.

Тенденции

Записи были созданы путем объединения данных из девяти различных MSU, каждый из которых имеет особенности ( например , временной дрейф космического корабля относительно местного солнечного времени), которые необходимо вычислить и удалить, поскольку они могут оказать существенное влияние на результирующую тенденцию.

Процесс построения температурных рекордов на основе данных яркости является сложным. Данные о температуре спутника поступают из последовательности различных спутников, и проблемы с взаимной калибровкой между спутниками очень важны, особенно NOAA-9, который составляет большую часть различий между различными анализами. NOAA-11 сыграл значительную роль в исследовании 2005 г., проведенном Mears et al. выявление ошибки в суточной коррекции, которая приводит к 40% скачку тренда Спенсера и Кристи с версии 5.1 на 5.2. Продолжаются попытки устранить расхождения в наборах спутниковых данных о температуре.

Сравнение с поверхностными трендами

Для сравнения извлеченных данных MSU с трендом из записи температуры поверхности наиболее целесообразно вывести тренды для части атмосферы, ближайшей к поверхности, т. Е. Нижней тропосферы . Как обсуждалось ранее, наименьшее из значений температуры, TLT, не является прямым измерением, а является значением, вычисленным путем вычитания яркостной температуры на большей высоте из более низких измерений. Тенденции, найденные по группам UAH и RSS, показанные в таблице ниже, рассчитываются немного разными методами и приводят к различным значениям трендов.

Используя канал T2 или TMT (который включает значительный вклад стратосферы , которая остыла), Mears et al. систем дистанционного зондирования (RSS) обнаруживают (до января 2017 г.) тенденцию +0,140 ° C / десятилетие. Спенсер и Кристи из Университета Алабамы в Хантсвилле (UAH) обнаружили меньшую тенденцию в +0,08 ° C / десятилетие.

Сравнивая эти измерения с моделями температуры поверхности, важно отметить, что результирующие значения для измерений нижней тропосферы, выполненных MSU, представляют собой средневзвешенное значение температуры на нескольких высотах (примерно от 0 до 12 км), а не температуру поверхности (см. TLT на рисунке 3 выше). Таким образом, результаты нельзя точно сопоставить с моделями температуры поверхности.

Тенденции из записи

Другой спутниковый анализ температуры предоставлен Центром спутниковых приложений и исследований NOAA / NESDIS STAR и использует одновременные надирные переходы (SNO) для устранения ошибок интеркалибровки спутников, что дает более точные тренды температуры. Анализ STAR-NOAA обнаруживает тренд 1979–2016 гг. +0,129 ° C / десятилетие для канала TMT.

Используя альтернативную корректировку для удаления стратосферного загрязнения, были обнаружены тенденции 1979–2011 гг. В +0,14 ° C / десятилетие при применении к набору данных RSS и +0,11 ° C / десятилетие при применении к набору данных UAH.

Анализ Вашингтонского университета выявил тенденции 1979–2012 гг. В +0,13 ° C / десятилетие при применении к набору данных RSS и +0,10 ° C / десятилетие при применении к набору данных UAH.

Комбинированные наземные и спутниковые данные

В 2013 году Каутан и Уэй предположили, что средние значения глобальной температуры, основанные на данных о температуре поверхности, могут быть источником систематической ошибки из-за неполного глобального охвата, если регионы без выборки не равномерно распределены по поверхности планеты. Они решили эту проблему, объединив измерения температуры поверхности со спутниковыми данными, чтобы заполнить зону покрытия. За период 1979-2016 гг., Объединяя данные поверхности HadCRUT4 со спутниковым покрытием UAH, они показывают тенденцию глобального потепления поверхности на 0,188 ° C / десятилетие.

История интерпретации спутниковых данных о температуре

Расхождения в начале (с 1978 по начало 2000-х годов) между данными о температуре поверхности и данными со спутников были предметом исследований и дискуссий. Кристи и Спенсер отметили отсутствие потепления, наблюдаемое тогда в тенденциях извлечения гривны за 1978-1998 гг., И прокомментировали это в отчете Национального исследовательского совета за 2000 год и в Третьем оценочном докладе МГЭИК за 2001 год.

Кристи и др. (2007) утверждал, что тренды тропической температуры от радиозондов ближе всего совпадают с его набором данных v5.2 UAH. Кроме того, они утверждали, что существует расхождение между тенденциями RSS и зонда, начиная с 1992 года, когда был запущен спутник NOAA-12.

В 1998 г. данные UAH показали, что похолодание составляло 0,05 К за десятилетие (на 3,5 км - средняя и низкая тропосфера). Венц и Шабель из RSS в своей статье 1998 года показали, что это (наряду с другими несоответствиями) было связано с орбитальным распадом спутников NOAA. После того, как изменения орбиты были разрешены, данные показали повышение температуры на этом уровне атмосферы на 0,07 К за десятилетие .

Другой важной критикой ранних спутниковых записей была их краткость - добавление нескольких лет к записи или выбор определенного периода времени может значительно изменить тенденции.

В начале 2005 года, хотя они начали с одних и тех же данных, каждая из основных исследовательских групп интерпретировала их с разными результатами. В частности, Mears et al . на RSS обнаружено 0,193 ° C / десятилетие для нижней тропосферы до июля 2005 г., по сравнению с +0,123 ° C / десятилетие, найденными UAH за тот же период.

Эти разногласия продолжаются. Большая часть расхождений в ранних результатах была устранена в трех статьях в журнале Science от 11 августа 2005 г., в которых указывалось на ошибки в записи 5,1 грн и записи радиозонда в тропиках.

Альтернативная регулировка для удаления стратосферного загрязнения была предложена Fu et al. (2004). После коррекции вертикальная весовая функция почти такая же, как у канала T2 (TMT) в тропосфере.

Другой повторный анализ, проведенный Винниковым и соавт. в 2006 г. - +0,20 ° C за десятилетие (1978–2005 гг.).

Анализ за более длительный период позволил устранить некоторые, но не все расхождения в данных. В Пятом оценочном отчете МГЭИК (2014 г.) говорится: «на основе многочисленных независимых анализов измерений, полученных с помощью радиозондов и спутниковых датчиков, практически очевидно, что с середины 20 века в глобальном масштабе тропосфера нагрелась, а стратосфера остыла. Признак тенденций, существуют существенные расхождения между доступными оценками в отношении скорости изменений температуры, особенно за пределами внетропической тропосферы NH, которая была хорошо проанализирована радиозондами, и пришел к выводу: «Несмотря на значительные методологические дебаты по поводу расчета тенденций и их неопределенности, 95% доверительный интервал около ± 0,1 ° C за десятилетие был получен последовательно как для LT, так и для MT ( например , Раздел 2.4.4; McKitrick et al. , 2010).

Корректировка динамики данных по гривне

Так же, как и поправка Венца и Шабеля, еще в 2000 г. возникли сомнения относительно анализа гривны, выполненного работой Прабхакары и др., Которая минимизировала ошибки из-за дрейфа спутника. Они обнаружили тенденцию в 0,13 ° C / десятилетие, что разумно согласуется с тенденциями на поверхности.

С момента первого выпуска результатов в 1990-х годах был внесен ряд корректировок в алгоритм вычисления набора данных UAH TLT. Таблицу поправок можно найти в статье спутникового набора данных о температуре UAH .

Сводка последних тенденций

Для сравнения с трендом из рекорда приземной температуры (+ 0,161 ± 0,033 ° C / десятилетие с 1979 по 2012 год по данным NASA GISS) наиболее целесообразно вывести тренды для части атмосферы, ближайшей к поверхности, т. Е. Нижней тропосферы. . Таким образом, до декабря 2019 года:

• линейный температурный тренд реконструкции RSS показывает потепление на +0,208 ° C / декаду.
• линейный температурный тренд по реконструкции UAH 1979-2019 показывает потепление +0,13 ° C / декаду,

Сравнение данных с климатическими моделями

В течение некоторого времени единственной доступной спутниковой записью была версия UAH, которая (с ранними версиями алгоритма обработки ) показывала глобальную тенденцию к похолоданию в течение первого десятилетия. С тех пор более продолжительная запись и ряд исправлений к обработке изменили эту картину, при этом измерения как UAH, так и RSS показывают тенденцию к потеплению.

Подробный анализ, проведенный в 2005 году десятками ученых в рамках Научной программы США по изменению климата (CCSP), выявил и исправил ошибки во множестве наблюдений за температурой, включая спутниковые данные. В их отчете говорилось:

"Ранее сообщавшиеся расхождения между степенью потепления у поверхности и выше в атмосфере использовались для того, чтобы поставить под сомнение надежность климатических моделей и реальность глобального потепления, вызванного деятельностью человека. В частности, данные на поверхности показали значительное глобальное потепление в среднем, в то время как ранние версии спутниковых данных и данных радиозондов было обнаружено небольшое или нулевое потепление над поверхностью. Этого значительного расхождения больше не существует, поскольку ошибки в данных спутников и радиозондов были выявлены и исправлены. Также были разработаны новые наборы данных, которые не показывают таких расхождений ».

В Четвертом оценочном докладе МГЭИК за 2007 год говорится:

«Новый анализ аэростатных и спутниковых измерений температуры в нижних и средних слоях тропосферы показывает темпы потепления, которые аналогичны показателям приземной температуры и согласуются с соответствующими погрешностями, в значительной степени устраняя несоответствие, отмеченное в ТДО».

Тропическая тропосфера

Климатические модели предсказывают, что по мере того, как поверхность нагревается, должна происходить и глобальная тропосфера. Прогнозируется, что в глобальном масштабе тропосфера (на высоте TLT, на которой проводятся измерения эхолотом MSU) примерно в 1,2 раза больше, чем поверхность; в тропиках тропосфера должна прогреваться примерно в 1,5 раза больше, чем поверхность. Однако в отчете CCSP 2005 г. было отмечено, что использование методов снятия отпечатков пальцев на данных показало, что «отпечатки пальцев вулканического и антропогенного происхождения не всегда можно было идентифицировать в наблюдаемых моделях постепенного изменения скорости». (Где «градиент» относится к изменению температуры i с высотой). В частности, возможная несогласованность была отмечена в тропиках, районе, в котором тропосферное усиление должно быть наиболее отчетливо видно. Они заявили:

"В тропиках согласие между моделями и наблюдениями зависит от рассматриваемого временного масштаба. Для месячных и межгодовых колебаний модели и наблюдения демонстрируют усиление ( т . Е. От месяца к месяцу и от года к году). межгодовые колебания выше, чем на поверхности). Это является следствием относительно простой физики эффектов выделения скрытого тепла, когда воздух поднимается и конденсируется в облаках. Величина этого усиления очень похожа в моделях и Однако в десятилетних и более длительных временных масштабах, хотя почти все моделирование показывает большее потепление на высоте (отражающее те же физические процессы, которые действуют в месячном и годовом временных масштабах), большинство наблюдений показывают большее потепление на поверхности.

"Эти результаты могут возникнуть либо из-за того, что эффекты усиления в" реальном мире "на коротких и долгих временных масштабах контролируются разными физическими механизмами, и модели не могут уловить такое поведение; либо из-за того, что неклиматические влияния остаются в некоторых или во всех наблюдаемых тропосферных данных наборы приводят к предвзятым долгосрочным тенденциям или к комбинации этих факторов. Новые данные в этом Докладе подтверждают второе объяснение ".

Последние модели климатических моделей дают ряд результатов для изменений средней глобальной температуры. Некоторые модели показывают большее потепление в тропосфере, чем на поверхности, в то время как несколько меньшее количество симуляций показывает противоположное поведение. Между результатами этих моделей и наблюдениями в глобальном масштабе нет принципиального несоответствия, и сейчас тенденции совпадают.

В глобальном масштабе большинство климатических моделей, используемых МГЭИК при подготовке своей третьей оценки в 2007 г., показывают немного большее потепление на уровне TLT, чем на поверхности (разница 0,03 ° C / десятилетие) в 1979–1999 гг., В то время как тренд GISS составляет +0,161 °. C / десятилетие с 1979 по 2012 год, тренды нижней тропосферы, рассчитанные по спутниковым данным с помощью UAH и RSS, составляют +0,130 ° C / десятилетие и +0,206 ° C / десятилетие.

Тренд нижней тропосферы, полученный со спутников UAH (+0,128 ° C / десятилетие), в настоящее время ниже, чем тенденции сети наземных станций GISS и Центра Хэдли (+0,161 и +0,160 ° C / десятилетие соответственно), в то время как тренд RSS (+0,158 ° C / декаду) аналогично. Однако, если ожидаемый тренд в нижней тропосфере действительно выше, чем у поверхности, то с учетом данных о поверхности тропосферный тренд будет около 0,194 ° C / десятилетие, что делает тренды UAH и RSS 66% и 81% от ожидаемого значения. соответственно.

Согласование с климатическими моделями

Хотя спутниковые данные теперь показывают глобальное потепление, все еще есть некоторая разница между тем, что предсказывают климатические модели, и тем, что показывают спутниковые данные для потепления нижней тропосферы, при этом климатические модели предсказывают немного большее потепление, чем то, что измеряют спутники.

Как набор данных по гривне, так и набор данных RSS демонстрируют общую тенденцию к потеплению с 1998 года, хотя извлечение данных по гривне показывает немного меньшее потепление, чем RSS. В июне 2017 года RSS выпустила версию 4, которая значительно усилила тенденцию, наблюдаемую в их данных, увеличивая разницу между тенденциями RSS и UAH.

Атмосферные измерения, сделанные с помощью другого спутникового метода измерения, Атмосферного инфракрасного зонда на спутнике Aqua , показывают близкое соответствие с данными на поверхности.

Рекомендации

внешние ссылки

• График сравнения данных поверхности, аэростата и спутников (архив 2007 г.)
• Данные о температуре радиозонда NOAA