De temperatuur, het zeeijs op de Noordpool en de arctische amplificatie

In het bericht van 4 oktober 2015 werden aanwijzingen gevonden dat de klimaatgevoeligheid voor CO2 veel geringer is dan in klimaatmodellen wordt gehanteerd. Het blijkt dat met name de AMO, de Atlantische Multidecadale Oscillatie, van grote invloed is op de wereldtemperatuur. Die schommelingen in de watertemperatuur van de Atlantische Oceaan hebben zelfs een grotere invloed op de mondiale temperatuur dan CO2, zo bleek uit de multipele regressie analyse in het bovenstaand bericht.

amo 1860 2014

 

Er zijn meer aanwijzingen dat de klimaatgevoeligheid erg gering moet zijn, en die komen uit het noordpoolgebied. Ook dit bericht is nogal technisch van aard, maar daar ontkom je niet aan als je iets echt wilt aantonen. Alleen met de constatering dat twee grafieken erg op elkaar lijken kom je er niet. Overigens is de statistische techniek van multipele regressie gewoon in Excel uitgevoerd, door Jan Ruis.

Onderstaande grafiek toont de mondiale (rood) en arctische (blauw) temperatuurtrend sinds 1900. De mondiale trend is 0,076°C/decade (hoger dan de 0,051°C/decade vanaf startjaar 1860). De arctische temperatuurtrend (tussen 70-90 NB) is 0,114°C/decade, dat is 50% groter dan de mondiale trend. Is dit nu wat men de ‘arctische amplificatie’ noemt? (deze term betekent dat de mondiale temperatuurtrends op de Noordpool worden versterkt)

ajb1

Nee! De multidecadale variatie in het noordpoolgebied is namelijk veel sterker dan die in van de mondiale temperatuur zoals in de bovenstaande grafiek te zien is. Omdat de grafiek in 1900 start in een dal van de AMO en in 2014 eindigt op een piek, zal dit de trend in de arctische temperatuur relatief sterker verhogen dan de mondiale (die gaat van 0,052 naar 0,076°C/decade met startjaar 1900 in plaats van 1860). Bovendien telt ook mee dat het laatste maximum van de AMO iets hoger is dan de vorige.

Om de bijdrage van de AMO te onderzoeken passen we weer multipele regressie toe met AMO, ENSO met zowel CO2 als een lineaire trend als antropogene component. Het CO2 model en het lineaire model leveren vrijwel identieke resultaten op. Hier het CO2 model:

ajb2
Uit de multiple regressie volgt dat de antropogene bijdrage aan de arctische temperatuur slechts 0,035°C/decade is sinds 1900. De reden dat het lineaire model en het CO2 model gelijke antropogene trends opleveren is dat de CO2 bijdrage zo klein is dat deze vrijwel lineair wordt.

Waar het om gaat is dat de antropogene bijdrage hier veel lager is dan de mondiale trend van 0,062°C/decade sinds 1900. Is er dan geen arctische amplificatie?
Sinds 1979 zijn er satellietmetingen van de lagere troposfeer, ook in noordpoolgebied. Omdat deze periode maar 36 jaar beslaat werd zowel een 37-maands als het 121-maands gefilterde AMO signaal gebruikt om te kijken of dit verschil uitmaakt. AMO en ENSO zijn beide met 6 maanden vertraagd. Onderstaand plaatje is het resultaat van de multipele regressie met de 37-maands gefilterde AMO:

ajb3

Hier is de bijdrage van de antropogene component (CO2 of de lineaire trend), zelfs nihil. Hetzelfde resultaat werd gevonden voor de 121-maands gefilterde AMO. Vrijwel 100% van de arctische opwarming is het gevolg van de AMO als de UAH satellietgegevens worden gebruikt in de multipele regressie. Aan dit resultaat moet minder waarde worden gehecht vanwege de relatief korte periode waarin de AMO steeg: het multipele regressiemodel wordt dan gevoed met te weinig gegevens. Maar het plaatje hierboven geeft wel aan dat de stijgende trend tussen 1993 en 2003, en de afvlakking daarna, een duidelijke AMO-fingerprint is.

Is er dan geen arctische amplificatie? Ja, die is er wel, maar die betreft de versterking van de AMO. De amplitude van de AMO-bijdrage aan de arctische temperatuurvariatie is heel groot: in het arctische gebied is dit 2,66x en mondiaal 0,56x de multidecadale AMO-waarden (NB: de ENSO heeft een geringe bijdrage en veroorzaakt alleen de ‘ruis’ bovenop het multidecadale AMO-signaal). Dit is te zien in de volgende plaatjes:

ajb4

ajb5
Er is dus wèl arctische amplificatie, maar deze betreft het temperatuursignaal van de AMO, kennelijk niet het opwarmende effect van CO2. Een onverwacht resultaat! Op de Noordpool wordt de amplitude van het AMO-effect enorm opgeblazen. Dat komt kennelijk door arctische amplificatie.

Wat is de oorzaak van deze amplificatie? En was deze oorzaak dezelfde van 1920-1940 als van 1975-2000 toen de AMO naar de positieve fase ging? Klimatologen veronderstellen dat de arctische amplificatie wordt veroorzaakt door albedo-afname als gevolg van het afnemende zeeijsoppervlak en doordat er op de Noordpool minder energie wordt uitgestraald naar de ruimte dan op lagere breedten. Dat werkt trouwens twee kanten op: albedotoename veroorzaakt temperatuurdaling.

Wat betekent dit voor de interpretatie van de zogenoemde “anomaly trend maps” die de grootste opwarming op de Noordpool tonen? Die laten dus eigenlijk het AMO-effect zien, niet een CO2-effect:

ajb6Bron:   NASA

In het bovenstaande kaartje is de kaart van de temperatuuranomalie over 2000-2009 vergeleken met het gemiddelde van 1951-1980. De globale temperatuur was ongeveer 0,6°C hoger dan in 1951–1980 maar het noordpoolgebied was het tot 2°C warmer.

In de grafiek hier onder is de AMO vanaf het midden van 1951-1980 tot het midden van 2000-2009 uitgezet. De AMO stijgt in deze periode met ongeveer 0,6°C. Omdat de AMO volgens het multipele regressiemodel met een factor 2,66 versterkt wordt boven de poolcirkel zou dit neerkomen op ongeveer 1,6°C, wat goed overeenkomt met de trendmap.

ajb7

Berust de interpretatie, dat de arctische amplificatie het gevolg is van het CO2 effect, op een misvatting en dat het eigenlijk berust op het effect van de AMO?
Chylek et al. (2009) concludeerden dat de Arctische amplificatie niet een constante is maar varieert op een multidecadale tijdschaal: de opwarming tussen 1910–1940 verliep sneller dan de recente na 1970. De temperatuurvariaties zijn sterk gecorreleerd met de AMO.

De arctische amplificatie van de AMO zou het gevolg moeten zijn van het afnemende zeeijsoppervlak tijdens de positieve AMO-fasen en een toename tijdens AMO-negatieve-fasen. Uit historische gegevens blijkt dit het geval te zijn geweest tijdens de vorige fase van opwarmende AMO (1920-1940):

ajb8
en dit blijkt ook uit de afkoeling van de AMO in 1945 – 1975:

ajb9

Bron: Wyattonearth

Zie ook de uitgebreide bespreking over het historische zeeijs van Tony Brown op Climate etc. Het verlies van zeeijs kan samenhangen met de instroom van warm zeewater vanuit de Atlantische Oceaan als gevolg van de AMO en de transportsnelheid hangt samen met de NAO-index:

ajb10

Bron: Polyakov, 2006.

Het ligt nu voor de hand om gegevens over het zeeijsoppervlak te koppelen aan de AMO en de arctische amplificatie. Er zijn echter geen digitale gegevens beschikbaar van het zeeijsoppervlak vóór 1979 die het Arctische gebied volledig dekken. Gelukkig wordt sinds 1979 het zeeijsoppervlak met satellieten gemeten. Het onderstaand plaatje geeft de anomalie van het zeeijsoppervlak (dunne blauwe lijn) en na filtering (dikke blauwe lijn). We passen weer multipele regressie toe (zowel met een lineaire trend als met CO2) en het resultaat is de rode lijn:

ajb11
Te zien is dat het model de belangrijkste trends in het zeeijs simuleert. De AMO en CO2-factoren zijn hier negatief omdat een hogere zeewatertemperatuur tot smelt leidt. De AMO verklaart 81% van de trend in de afname van het zeeijsoppervlak, de antropogene component maar 8%. De antropogene trend is dezelfde als we het model met CO2 of een lineaire trend voeden.
Maar omdat de periode 1979-2014 (te) kort is kunnen we niet veel gewicht toekennen aan dit numerieke resultaat. Het bevestigt wel de hypothese dat de AMO de belangrijkste oorzaak is van de afname van het zeeijs: de versnelde afname tussen 1997 en 2005 en de stabilisatie daarna. Dit patroon kan goed verklaard worden met de AMO. Met name de stabilisatie in de laatste decade: de arctische temperatuur sinds 2003 en het Arctische zeeijsoppervlak sinds 2005 nemen niet meer significant toe of af, ondanks toenemende CO2 concentratie:

ajb12

ajb13

Als de AMO weer afneemt dan zou het zeeijs weer moeten groeien. Deze hypothese kan de komende jaren experimenteel getoetst worden.

In de hiervoor genoemde discussie op Climate etc. staat het citaat uit Johanssen et al. 2004:
“..However, it remains open to debate whether the warming in recent decades is an enhanced greenhouse-warming signal or natural decadal and multidecadal variability (Polyakov and Johnson, 2000; Polyakov et al., 2002)...”.  De huidige resultaten bevestigen dit idee. De arctische afkoeling en de gerapporteerde groei van zeeijsoppervlak van 1945-1975 is namelijk in tegenspraak met de CO2 stijging in die periode en heeft kennelijk alles te maken met de AMO.

Wyatt & Curry (2013) stelden een “stadiongolf” voor: het begint met een negatieve AMO – die doet zeeijsoppervlak groeien – dat veroorzaakt Siberische winden naar de Pacific – daar leidt het tot een positieve PDO – dan volgt maximale temperatuur op de Noordpool en het noordelijk halfrond – daarna wordt de AMO positief – dat doet het zeeijs afnemen – enzovoorts.
Wyatt verklaarde dat de stadiongolf voorspelt dat de huidige pauze in Global warming voort zal duren tot in de 2030-er jaren. Dit zou alleen maar kunnen met het lineaire model omdat het CO2-model altijd tot verdere opwarming leidt:

ajb14

Samenvattend kan geconcludeerd worden dat de AMO een veel grotere bijdrage aan de arctische temperatuur en zeeijs levert dan de antropogene component (stijging CO2). De theoretische arctische amplificatie als gevolg van de opwarming door CO2 blijkt mogelijk op een misvatting te berusten. Een andere conclusie is dat de multipele regressie toegepast op de arctische gegevens geen verschil oplevert als het model wordt gevoed met een lineaire trend of met CO2-forcering: het CO2-model en het lineaire model leveren ongeveer gelijke resultaten op.

In volgende berichten wordt verder ingegaan op de vraag welk model beter is: het lineaire model of het CO2 model en de hamvraag: is de AMO een natuurlijke cyclus of een antropogeen effect?