Benutzer:Hg6996/Sattelitenmessungen der Erdtemperatur

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Die Temperatur der Atmosphäre in unterschiedlichen Höhen wie auch die Oberflächentemperaturen von Meeres und Landflächen kann it Hilfe von Satellitenmessungen bestimmt werden. Wettersatelliten messen die Temperatur nicht direkt, sondern analysieren die Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen-Bereiche. Diese Messungen können dafür verwendet werden, Wetterfronten zu lokalisieren, El-Ninos zu beobachten, die Stärke tropischer Zyklone zu bestimmen, den Wärmeinsel-Effekt zu studieren oder das globale Klima zu überwachen. Großbrände, Vulkane und industrielle Wärmeinseln können mit Hilfe der Wärmebildgebung der Wettersatelliten ebenfalls aufgespürt werden.

Messungen der von der Meeresoberfläche ausgesandten Strahlung wurden seit dem Jahr 1967 durchgeführt. Seit 1978 haben die Microwave sounding units (MSUs) in den Satelliten der NOAA die nach oben gerichtete Mikrowellenstrahlung atmosphärischen Sauerstoffs gemessen. Die Intensität dieser Strahlung ist ist über große vertikale Bereiche der Atmosphäre proportional zu ihrer Temperatur. Die Satelliten haben Umlaufbahnen, die sie beide Erdpole überstreichen lassen.

Die Messdaten dieser Satelliten zeigen, dass sich im Verlauf der letzten vier Dekaden die Troposphäre erwärmt und die Stratosphäre abgekühlt hat. Beide Trends sind in Übereinstimmung mit den erwarteten Folgen einer zunehmenden Konzentration von Treibhausgasen.


Satelliten messen keine Temperaturen. Sie messen Strahlung verschiedener Wellenlängen-Bänder, die dann umgerechnet werden müssen, um so indirekt auf die Temperatur rückschließen zu können.[1][2] Die sich ergebenen Temperatur-Profile hängen von den Details der Methode ab, mit der die Strahlung erfasst wurde. Im Ergebnis haben unterschiedliche, diese Daten analysierende Arbeitsgruppen unterschiedliche Temperaturdatensätze erzeugt. Dazu zählen dder UAH-Datensatz, der an der University of Alabama in Huntsville errechnet wird und der RSS-Datensatz, der von Remote Sensing Systems geliefert wird. Die Satelliten-Serie ist nicht vollständig homogen - sie wird von einer Serie von Satelliten mit ähnlichen, aber nicht identischer Instrumentierung geliefert. Die Qualität der Sensoren lässt mit der Zeit nach und daneben sind auch Korrekturen nötig, um den Veränderungen der Umlaufbahnen Rechnung zu tragen. Besonders große Unterschiede zwischen den rekonstruierten Temperaturserien finden ein paar mal statt, wenn es nur wenig zeitliche Überlappung zwischen aufeinanderfolgenden Satelliten gibt, was die Interkalibration schwierig gestaltet.

Oberflächenmessungen

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Satelliten können auch dazu verwendet werden, Oberflächentemperaturen unter wolkenlosen Bedingungen zu bestimmen; dies geschieht im Allgemeinen durch Messung thermischer Infrarotstrahlung mit Hilfe des AVHRR. Wetter-Satelliten sind seit dem Jahr 1967 in der Lage, die Oberflächentemperaturen der Meere zu messen, wobei die ersten globalen Messungen im Verlauf des Jahres 1970 stattfanden.[3] Seit dem Jahr 1982[4] werden Satelliten zunehmend dafür verwendet, Oberflächentemperaturen mit zunehmender örtlicher und zeitlicher Auflösung zu ermitteln. So wird seit den 1970er die Entwicklung von El Nino-Ereignissen durch Überwachung der Oberflächentemperaturen durchgeführt.[5] Über Landflächen gestaltet sich die Ermittlung von Temperaturdaten aus Strahlungsdaten aufgrund der Inhomogenität der Oberfläche schwieriger.[6] Der Wärmeinseleffekt wurde ebenso mit Hilfe satellitengestützter Bildgebung studiert.[7] Das AVHRR kann bei wolkenlosen Bedingungen dafür benutzt werden, Dichteveränderungen (Warm- und Kaltfronten) in Bodennähe zu untersuchen. Durch Anwendung der Dvorak-Technik kann die Satelliten-Bildgebung dazu benutzt werden, Temperaturunterschiede in tropischen Wirbelstürmen zu bestimmen. Hierbei wird bei voll ausgebildeten Wirbelstärumen dessen Auge mit der Temperatur der oberen Wolkenschicht der das Auge umgebenden Schichten erfasst, um daraus Windgeschwindigkeiten und dessen geringsten zentralen Luftdruck abzuleiten. Entlang ihrer Umlaufbahn scannende Radiometer, sogenannte Along Track Scanning Radiometer, sind in der Lage, Großbrände aufzuspüren, die sich Nachts als Pixel mit einer Tempereratur zeigen, die höher als 308 K liegt.[8] Das Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer an Bord des Satelliten Terra ist in der Lage, thermische Hot-Spots, die mit Großbränden oder vulkanischer Aktivität einhergehen oder von Industrieanlagen verursacht werden, zu detektieren.[9]

Troposphärische und stratosphärische Messungen

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MSU Wichtungsfunktionen, basierend auf der U.S. Standard Atmosphäre

Von 1979 bis 2005 haben die microwave Sounding Units (MSUs) an Bord der die Pole überstreichenden Satelliten der NOAA die Intensität der aufwärts gerichteten Mikrowellen-Strahlung atmosphärischen Sauerstoffs gemessen. Seit 1998 wird dies mit Hilfe der Advanced Microwave Sounding Units gemessen. Die Intensität dieser Strahlung ist proportional zur Temperatur einer breiten vertikalen atmosphärischen Schicht, wie man anhand theoretischer Überlegungen darlegen und mit Hilfe direkter Vergleiche mit Temperaturprofilen zeigen kann, welche von an Ballons angebrachten Radiosonden stammen. Aufwärts gerichtete Strahlung wird bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen; diese unterschiedlichen Frequenzbänder messen einen unterschiedlich gewichteten Bereich der Atmosphäre.[10] Die von einem Satelliten gemessene Helligkeitstemperatur (TB) errechnet sich wie folgt:[11]

mit W(S) = Höhe der Oberfläche,T(0) und T(Z) sind die Temperaturen an der Oberfläche und in Atmosphärenöhe z und W(Z) ist die atmosphärische Wichtungsfunktion.

Beide, die Wichtungen der Oberfläche und der Atmosphäre hängen von der Oberflächen-Emissivität eS ab, der Absorptionskoeffizient κ(z) und der Erdeinfallswinkel ist θ; die Oberflächenwichtung ist das Produkt aus eS und einem Schwächungsfaktor:

wobei

Die atmosphärische Wichtungsfunktion W(Z) kann wie folgt geschrieben werden:

Der erste Term in dieser Gleichung bezieht sich auf die von einer Höhe z emittierten Strahlung, die entlang des Strahlungspfades zur Oberseite der Atmosphäre (∞) geschwächt wird; der zweite Term beinhaltet Strahlung, die von einem Niveau z in Richtung der Oberfläche (0) emittiert wird und die Strahlung, die in Richtung der Oberfläche (proportional zu eS) in Richtung der Oberseite der Atmosphäre reflektiert wird; die genaue Form von W(Z) hänt von der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und dem Gehalt an flüssigem Wasser in der Atmosphäre ab.

MSU-Kanal eins wird nicht für die Beobachtung atmosphärischer Temperatur verwendet, denn er reagiert zu empfindlich auf Emissionen von der Oberfläche; daneben ist er in der untersten Atmosphärenschicht stark Wasser-kontaminiert, sowohl in gasförmiger wie auch in flüssiger Form.[12]

Kanal 2 bzw. TMT repäsentiert die Troposphäre umfassend, wenngleich es eine signifikante Überlappunt mit der unteren Stratosphäre gibt (die Wichtungsfunktion hat ihr Maximum bei 350 hPa und ihren halben Wert bei 40 un d800 hPa). Roy Spencer und John Christy entwickelten dsa synthetische "2LT oder TLT"-Produkt, bei dem sie Signale unterschiedlicher Blickrichtungen subtrahierten im Versuch, den Einfluss der Stratosphäre zu verringern; dieser ht ein Maximum bei etwa 650 hPa. Indes verstärkt dies das Rauschen,[13], verstärkt Fehler, die durch Kalibration zwischen verschiedenen Satelliten zustande kommen und verstärkt die Oberflächen-Kontamination.[14] Es wurden zahlreiche Versionen des 2LT-Produktes entwickelt, bei denen unterschiedliche Korrekturen zur Anwendung kamen.

Eine andere Methode zur Verringerund des Einflusses der Stratosphäre wurde von Fu und Johanson entwickelt,[15], der TT (Total Troposhere Temperature)-Kanal ist eine lineare Kombinantion des TMT und TLS-Kanals: TTT=1.156*TMT-0.153*TLS für das globale Mittel und TTT=1.12*TMT-0.11*TLS in tropischen Breiten.

Der T4 TLS-Kanal repräsentieren die Temperatur in der unteren Stratosphäre mit einer Spitzen-Wichtungsfuktion bei etwa 17 km über der Erdoberfläche.

Die Stratospheric sounding units (SSUs) an Bord von Satelliten der NOAA liefern seit 1979 nahezu globale stratospherische Temperaturdaten der unteren Stratosphäre. Das SSU ist ein Spektrometer, das im tiefen Infrarot arbeitet, wobei eine Druck-Modulations-Technik zur Anwendung kommt, um Messungen in drei Kanälen im 15 µm Absorptions-Band von Kohlenstoffdioxid messen zu können. Die drei Kanäle benutzen die selbe Frequenz, aber einen unterschiedlichen Kohlenstoffdioxid-Zellen-Druck; die dazugehörigen Wichtungsfunktionen haben ihre Spitze bei 29 km bei Kanal 1, 37 km bei Kanal 2 und 45 km bei Kanal 3.[16]

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Year UAH Trend
1991 0.087
1992 0.024
1993 -0.013
1994 -0.003
1995 0.033
1996 0.036
1997 0.040
1998 0.112
1999 0.105
2000 0.095
2001 0.103
2002 0.121
2003 0.129
2004 0.130
2005 0.139
2006 0.140
2007 0.143

Die Aufzeichnungen wurden durch Zusammenführung von Daten aus neun unterschiedlichen MSU erstellt, wobei jede einzelne ihre Besonderheiten aufwies (wie beispielsweise eine zeitliche Drift des Satelliten relativ zur solaren Zeit), die entsprechend berechnet und korrigiert werden mussten, da sie substanziellen Einfluss auf die Trendberechnung hatten.[17] Die Datenreihe aus den Satellitenmessungen ist kurz; damit kann man durch selektives Herausgreifen eines Teiles dieser Reihe oder anhängen bzw. weglassen von Datenpunkten den resultierenden Trend stark verändern. Die Probleme mit der Länge der Aufzeichnungen der MSU wird in der Tabelle rechts gezeigt, die den UAH-Temperatur-Datensatz in °C/Dekade zeigt; die Datenreihe startet im Dezember 1978 und endet im Dezember des gezeigten Jahres.

Eine Temperatur-Datenreihe aus einer Strahlungs-Datenreihe zu rekonstruieren ist ein schwieriges Unterfangen. Der von den Satelliten stammende Datensatz stammt von einer Reihe unterschiedlicher Satelliten, wobei sich das schwierig zu lösende Probleme der Kreuzkalibration ergibt speziall in Bezug auf NOAA-9, welche für die größten Unterschiede der jeweiligen Analysen verantwortlich zeichnet.[18] NOAA-11 spielte eine große Rolle in Bezug auf eine Studie von Mears et al, in der in der Korrektur des Tagesgangs von Spencer und Chrity's Trendberechnung auf einen Fehler hingewiesen wurde, der zu einem Anstieg um 40% zwischen Version 5.1 und 5.2 führte.[19] Die Bemühungen, Unterschiede in den satellitenbasierten Temperaturdatensätzen zu beseitigen dauern an.

The process of constructing a temperature record from a radiance record is difficult. The satellite temperature record comes from a succession of different satellites and problems with inter-calibration between the satellites are important, especially NOAA-9, which accounts for most of the difference between various analyses.[20] NOAA-11 played a significant role in a 2005 study by Mears et al. identifying an error in the diurnal correction that leads to the 40% jump in Spencer and Christy's trend from version 5.1 to 5.2.[19] There are ongoing efforts to resolve differences in satellite temperature datasets.

Christy et al. (2007) find that the tropical temperature trends from radiosondes matches closest with his v5.2 UAH dataset.[21] Furthermore, they assert there is a growing discrepancy between RSS and sonde trends beginning in 1992, when the NOAA-12 satellite was launched.Vorlage:Citation needed This research found that the tropics were warming, from the balloon data, +0.09 (corrected to UAH) or +0.12 (corrected to RSS) or 0.05 K (from UAH MSU; ±0.07 K room for error) a decade.

Using the T2 channel (which include significant contributions from the stratosphere, which has cooled), Mears et al. of Remote Sensing Systems (RSS) find (through December 2013) a trend of +0.078 °C/decade.[22] Spencer and Christy of the University of Alabama in Huntsville (UAH), find a smaller trend of +0.045 °C/decade.[23]

A no longer updated analysis of Vinnikov and Grody found +0.20 °C per decade (1978–2005).[24] Another satellite temperature analysis is provided by NOAA/NESDIS STAR Center for Satellite Application and Research and use simultaneous nadir overpasses (SNO)[25] to remove satellite intercalibration biases yielding more accurate temperature trends. The SNO analysis finds a 1979-2013 trend of +0.105 °C/decade for T2 channel.[26]

Lower stratospheric cooling is mainly caused by the effects of ozone depletion with a possible contribution from increased stratospheric water vapor and greenhouse gases increase.[27][28] There is a decline in stratospheric temperatures, interspersed by warmings related to volcanic eruptions. Global Warming theory suggests that the stratosphere should cool while the troposphere warms [29]

Top of the stratosphere (TTS) 1979-2006 temperature trend.

The long term cooling in the lower stratosphere occurred in two downward steps in temperature both after the transient warming related to explosive volcanic eruptions of El Chichón and Mount Pinatubo, this behavior of the global stratospheric temperature has been attributed to global ozone concentration variation in the two years following volcanic eruptions.[30]

Since 1996 the trend is slightly positive[31] due to ozone recovery juxtaposed to a cooling trend of 0.1K/decade that is consistent with the predicted impact of increased greenhouse gases.[30]

The process of deriving trends from SSUs measurement has proved particularly difficult because of satellites drift, inter-calibration between different satellite with scant overlap and gas leak in the instrument carbon dioxide pressure cell, furthermore since the radiances measured by SSUs are due to emission by carbon dioxide the weighting functions move to higher altitudes as the carbon dioxide concentration in the stratosphere increase. Mid to upper stratosphere temperature show strong negative trend interspersed by transient volcanic warming after the explosive volcanic eruptions of El Chichón and Mount Pinatubo, little temperature trend has been observed since 1995. The greatest cooling occurred in the tropical stratosphere consistent with enhanced Brewer-Dobson circulation under greenhouse gas concentrations increase.[32]

Channel Start End Date RSS Global Trend
(K/decade)[22]
UAH Global Trend
(K/decade)
STAR v2.0 Global Trend
(K/decade)[26]
MSU
TLT 1979 2013-12 0.125 0.136[33]
TMT 1979 2013-12 0.078 0.045[23] 0.105
TTS 1987 2013-12 0.004
TUT 1981 2013-12 0.040
TLS 1979 2013-12 -0.285 -0.352[34] -0.310
SSU
TMS 1978-11 2006-04 -1.007
TUS 1978-11 2006-04 -0.927
TTS 1979-07 2006-04 -1.236

Vorlage:Clear

Comparison to instrumental record

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1958-2011 radiosonde, satellite and surface temperature record.

The satellite records have the advantage of global coverage, whereas the radiosonde record is longer. There have been complaints of data problems with both records.

To compare to the trend from the surface temperature record (approximately +0.07 °C/decade over the past century and +0.17 °C/decade since 1979) it is most appropriate to derive trends for the part of the atmosphere nearest the surface, i.e., the lower troposphere. Doing this, through December 2013:

  • RSS v3.3 finds a trend of +0.125 °C/decade.[22]
  • UAH v5.5 finds a trend of +0.136 °C/decade.[33]

An alternative adjustment to remove the stratospheric contamination has been introduced by Fu et al. (2004),[35] after the correction the vertical weighting function is nearly the same of the T2(TMT) channel in the troposhere,[36] the University of Washington analysis finds 1979-2012 trends of +0.13 °C/decade when applied to the RSS data set and +0.10 °C/decade when applied to the UAH data set.[37]

Reconciliation with climate models

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Vorlage:See also Climate model results summarized by the IPCC in their third assessment show overall good agreement with the satellite temperature record. In particular both models and satellite record show a global average warming trend for the troposphere (models range for TLT/T2LT 0.6 - 0.39 °C/decade; avg 0.2 °C/decade) and a cooling of the stratosphere (models range for TLS/T4 -0.7 - 0.08 °C/decade; avg -0.25 °C/decade).[38]

There remain, however, differences in detail between the satellite data and the climate models used.

Globally, the troposphere is predicted by models to warm about 1.2 times more than the surface; in the tropics, the troposphere should warm about 1.5 times more than the surface. Most climate models used by the IPCC in preparation of their third assessment show a slightly greater warming at the TLT level than at the surface (0.03 °C/decade difference) for 1979-1999[38][39][40] while GISS and Hadley Centre surface station network trends are +0.161 and +0.160 °C/decade respectivelyVorlage:Citation needed, the lower troposphere trends calculated from satellite data by UAH and RSS are +0.140 °C/decade[33] and +0.148 °C/decade.[22] The expected trend in the lower troposphere, given the surface data, would be around 0.194 °C/decade.Vorlage:Citation needed

This greater global average warming in the troposphere compared to the surface (present in the models but not observed data) is most marked in the tropics. CCSP SAP 1.1 chapter 5 says:

"In the tropics, surface temperature changes are amplified in the free troposphere. Models and observations show similar amplification behavior for monthly and interannual temperature variations, but not for decadal temperature changes. Tropospheric amplification of surface temperature anomalies is due to the release of latent heat by moist, rising air in regions experiencing convection."

Although all the datasets show the expected tropospheric amplification at seasonal and annual timescales it is still debated whether or not the long term trends are consistent with the expected moist adiabatic lapse rate[41] amplification due to difficulty of producing homogenized datasets,[42] some satellite temperature reconstruction are consistent with the expected amplification[43] while others are not.[42]

Historic differences

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Vorlage:See also For some time the only available satellite record was the UAH version, which (with early versions of the processing algorithm) showed a global cooling trend for its first decade. Since then, a longer record and a number of corrections to the processing have revised this picture: the UAH dataset has shown an overall warming trend since 1998, though less than the RSS version. In 2001, an extensive comparison and discussion of trends from different data sources and periods was given in the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (section 2.2.4).[44]


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