Scatterplot sensitivity

Gastartikel door Willis Eschenbach
WhatsUpWithThat  21 oktober 2022

Dit is het derde bericht over het gebruik van 1° breedtegraad bij 1° lengtegraad rastercel puntenwolken. In het eerste bericht, Global Scatterplots, werd gekeken naar een rastercel-puntenwolk van het stralingseffect van wolken versus de temperatuur. Het CRE meet in welke mate wolken het oppervlak opwarmen of afkoelen door de combinatie van hun effecten op kortegolfstraling (zon) en langegolfstraling (warmte).

Figuur 1. Puntenwolk, oppervlaktetemperatuur versus netto stralingseffect van wolken aan het oppervlak. Geeft een nieuwe betekenis aan het woord “niet-lineair”. De helling van de geel/zwarte lijn toont de verandering in CRE voor elke verandering van 1°C in temperatuur. Let op de snelle versterking van de wolkenafkoeling boven ongeveer 25°C.

Het tweede bericht, Solar Sensitivity, gebruikte dezelfde methode om het verband te onderzoeken tussen beschikbare zonne-energie (top-of-atmosphere [TOA] zon minus albedo reflecties) en temperatuur. Hier is de grafiek uit dat artikel:

Figuur 2. Puntenwolk, oppervlaktetemperatuur per gridcel versus beschikbaar zonne-energie. Aantal rastercellen = 64.800. De cyaan/zwarte lijn toont de LOESS smoothing van de gegevens. De helling van de cyaan/zwarte lijn toont de verandering in temperatuur voor elke verandering van 1 W/m2 in beschikbare zonne-energie. De gegevens in dit bericht zijn gemiddelden van de volledige 21 jaar CERES-gegevens.

De helling van de cyaan/zwarte lijn toont de verandering in oppervlaktetemperatuur per W/m2 in beschikbare zonne-energie. Bij deze lijn zijn de drie min of meer lineaire stukken van belang, met name de rechter. In dat deel verhoogt extra zonne-energie de temperatuur niet.

Figuur 3 hieronder toont de helling van de cyaan/zwarte lijn ten opzichte van de beschikbare zonne-energie.

Figuur 3. Helling van de trendlijn in figuur 2. Dit toont de verandering in de temperatuur versus beschikbare zonne-energie.

Deze manier om naar de gegevens te kijken is van groot belang omdat ze lange termijnrelaties tussen de variabelen aan het licht brengt. Elke rastercel heeft duizenden jaren de tijd gehad om in een evenwichtssituatie te raken tussen de huidige temperatuur en beschikbare zonne-energie. Als we dus kijken naar de temperaturen van zowel nabije als verafgelegen rastercellen met een iets ander beschikbaar zonnevermogen, zien we lange termijnrelaties tussen zon en temperatuur, en niet wat er gebeurt bij een snelle verandering.

Bovendien is het van waarde omdat de helling relatief ongevoelig is voor veranderingen in de gemiddelde temperatuur of het gemiddeld beschikbare zonvermogen. Veranderingen in de gemiddelde temperatuur doen de cyaan/zwarte lijn slechts op en neer gaan, maar dit veroorzaakt weinig verandering in de helling van de cyaan/zwarte lijn.

Evenzo verplaatsen veranderingen in de gemiddelde zonnestand de cyaan/zwarte lijn naar links of rechts. En veranderingen in zowel de gemiddelde temperatuur als de gemiddelde zon verschuiven de gegevens diagonaal … maar geen van deze veranderingen is van significante invloed op de variabele van belang: de helling van de cyaan/zwarte lijn.

In dit artikel wil ik kijken naar het verband tussen de zeer slecht genaamde “broeikas”-straling en de oppervlaktetemperatuur. Wat is nu eigenlijk broeikasstraling? Alle vaste objecten, inclusief de aarde, zenden warmtestraling uit. Een deel van de straling van de aarde gaat direct de ruimte in. Maar een ander deel wordt geabsorbeerd door de atmosfeer. Deze geabsorbeerde langgolvige straling wordt in alle richtingen teruggestraald, waarbij ongeveer de helft naar boven gaat en de andere helft terug naar de aarde. Deze neerwaartse (op de aarde gerichte) langgolvige straling wordt “broeikasstraling” genoemd.

Een slimme man, Ramanathan, wees erop dat we de hoeveelheid broeikasstraling vanuit de ruimte kunnen meten. Voor elke rastercel nemen we de hoeveelheid straling die aan het oppervlak wordt uitgezonden. Daarvan trekken we de straling af die naar de ruimte ontsnapt. De rest is wat door de atmosfeer is geabsorbeerd en naar beneden is gericht – de broeikasstraling.

Ik was benieuwd wat er gebeurt met de oppervlaktetemperaturen als de broeikasstraling verandert. Maar dan dient zich een probleem aan. De hoeveelheid broeikasstraling verandert als de oppervlaktetemperatuur verandert. Als het oppervlak warmer is en meer straalt, wordt er meer geabsorbeerd door de atmosfeer, met als gevolg dat de broeikasstraling toeneemt.

Om dat probleem te tackelen kunnen we het broeikaseffect uitdrukken als percentage van de opwaartse (naar de ruimte gerichte) langgolvige straling vanaf het oppervlak. Hierdoor wordt het directe effect van de oppervlaktetemperatuur op de broeikasstraling buiten beschouwing gelaten. Figuur 4 toont het resulterende verband tussen de oppervlaktetemperatuur en het broeikaseffect als percentage van de opwaartse straling.


Figuur 4. Scatterplot, oppervlaktetemperatuur per rastercel versus percentage broeikasstraling. Aantal rastercellen = 64.800. De rood/zwarte lijn toont de LOWESS gladheid van de gegevens. De helling van de cyaan/zwarte lijn toont de verandering in temperatuur voor elke verandering van 1 W/m2 in beschikbare zonnestraling. De weinige negatieve rastercellen bevinden zich aan de polen, en tonen het effect van de invoer van warmte uit de tropen. Hier is de overeenkomstige grafiek van de helling, nadat de percentages zijn terugvertaald in W/m2:


Figuur 5. Helling van de trendlijn in figuur 4. Het toont de verandering in de temperatuur voor een verandering van 1 W/m2 in de broeikasstraling.

De grafiek vertoont zowel overeenkomsten als verschillen met de opwarming als gevolg van veranderingen in de beschikbare zonne-energie in figuur 3 hierboven. Beide beginnen hoog aan de linkerkant, en beide eindigen met een lage onveranderlijke helling aan de rechterkant. De broeikasopwarming in figuur 5 is echter in het middendeel veel groter. Dat leidt tot een mondiale oppervlaktegewogen gemiddelde klimaatgevoeligheid van 0,58°C per W/m2 extra broeikasstraling, wat weer op zijn beurt overeen komt met ongeveer 2°C per verdubbeling van CO2. Dat is ongeveer dezelfde ECS (equilibrium climate sensitivity) die Nic Lewis heeft gevonden in zijn recente publicatie “Objectively combining climate sensitivity evidence”:

The resulting estimates of long-term climate sensitivity are much lower and better constrained (median 2.16 °C, 17–83% range 1.75–2.7 °C, 5–95% range 1.55–3.2 °C) than in Sherwood et al. and in AR6 (central value 3 °C, very likely range 2.0–5.0 °C).

Ten slotte geeft deze methode een schatting van de klimaatgevoeligheid voor elke rastercel. Dit is een kaart waarop te zien is hoeveel de oppervlaktetemperatuur naar schatting zal veranderen voor elke extra W/m2 broeikasstraling:


Figuur 6. Verwachte temperatuurverandering als gevolg van een toename van 1 W/m2 broeikasstraling.

Dat lijkt logisch. De blauwe gebieden betreffen de ITC (Intertropische Convergentiezone) en de Western Pacific Warm Pool. Ze zijn over het algemeen bedekt met cumulus- en onweerswolken. Deze absorberen de opwaartse straling voor 100% … dus extra CO2 maakt weinig verschil. Bovendien liggen de temperaturen in deze gebieden dicht bij het maximum, dus van veel opwarming door verhoogde broeikas- of zonnestraling zal daar geen sprake zijn.

Er zijn waarschijnlijk nog meer inzichten te halen uit de scatterplots op basis van de CERES data. Maar dit bericht is lang genoeg, dus laat ik het hierbij. Ik weet bijvoorbeeld zeker dat ik betere resultaten kan krijgen door de gegevens onder te verdelen naar noordelijk/zuidelijk halfrond en naar land versus oceaan. Dat zal betere vergelijkingen opleveren. Maar helaas is de tijd die ons gegeven is beperkt.

En zoals gewoonlijk roept wat ik gevonden heb meer vragen op dan antwoorden. Ik beschouw mijn geschriften in zekere zin als mijn doorlopend labboek, waarin ik permanent bijhoud wat ik vind, en u leert over de dingen wanneer en zoals ik ze leer. Het allerbeste voor jullie allemaal, en bedankt voor jullie voortdurende interesse, deelname en kritiek op mijn voortdurende onderzoeken naar de mysteries van dit verbazingwekkende universum.

Willis