I Breakpoint della fine del secolo scorso nelle serie di Temperatura da radiosonde

Riassunto: vengono studiate le anomalie di temperatura da radiosonde di sette stazioni nei due emisferi, su cinque livelli di pressione, per definire la presenza o meno di break point nel 1987 e nel 1996. Si osserva che negli anni indicati o nelle loro vicinanze la presenza di cambiamenti improvvisi è relativamente frequente o almeno tale da far pensare ad uno studio più accurato sui break point.
Abstract: Temperature anomalies from radiosondes are studied for seven world-wide stations, in five pressure levels, in the aim to define the existence (or not) of break points in 1987 and 1996. In such or neighbour years, abrupt changes can be observed with a relatively high frequency so that a more accurate analysis on the break points position may be indicated.

In un post del 2016 su CM avevo analizzato le temperature emisferiche e globali da radiosonde disponibili al sito NOAA RATPAC per alcuni dei 13 livelli di pressione (altezza) misurati. Questi dati sono noti come RATPAC-A.
In un post di giugno 2017 su WUWT, C. Samuels usa le temperature da radiosonde di singole località, misurate a 00z e a 12z (ora di Greenwich) per sviluppare una sua idea (estranea a questo post); nota però che i dati mostrano alcune particolarità nel 1996 e si chiede che cosa fosse successo in quell’anno.
Luigi Mariani, sia in articoli scientifici (v. ad esempio Mariani et al, 2012) che su CM (ad esempio in un commento a questo post) ha spesso fatto notare la presenza di un cambiamento improvviso nei parametri meteo-climatici degli anni ’80 (shift climatico, presumibilmente attorno al 1987) presente almeno nell’emisfero nord.
Rispondendo ad un commento del lettore Alessandro, su CM, sempre Luigi Mariani definisce la presenza, nel 1996, di un salto improvviso nelle temperature medie di Bologna Borgo Panigale.
Questi tre elementi: shift climatico degli anni ’80; qualcosa di diverso accaduto nel 1996 nei dati da radiosonde e il break point (BP) del 1996 nelle temperature di Bologna B.P. mi hanno portato a pensare di analizzare i dati da radiosonde (anomalie di temperatura) di stazioni variamente distribuite sul globo, per vedere se nel 1987-88 e nel 1996 sia possibile identificare due cambiamenti di pendenza.

In questo post non ho quindi calcolato l’anno di due break point ma ho fissato a priori i due anni e verificato se le pendenze delle rette dei minimi quadrati prima e dopo i BP fossero diverse, sia tramite un test statistico che con ispezione visuale.
La retta dei minimi quadrati è stata calcolata negli intervalli: inizio del dataset – dicembre 1987; gennaio 1988 – dicembre 1996; gennaio 1997 – fine dataset.

I dati mensili utilizzati derivano dal sito NOAA RATPAC da cui ho preso i valori di ratpac-B che si riferiscono a 85 stazioni: per ognuna di queste stazioni sono disponibili le temperature (anomalie) misurate alle ore 00 e 12 di Greenwich (00z e 12z) per ognuno dei 13 livelli, da surf a 30 hPa (mb nel file originale). Per questo post ho selezionato tre livelli troposferici (surf, 850 e 500 hPa) e due livelli stratosferici (100 e 30 hPa) e sette stazioni di cui 4 nell’emisfero nord (3 ad alta e una a media latitudine; 2 nel continente americano, una europea e una asiatica) e 3 nell’emisfero sud (2 in Antartide -agli estremi opposti del continente- e una in Nuova Zelanda).
I valori numerici sono stati “mascherati” per eliminare i dati mancanti (identificati da 999.0) e poi smussati con un filtro passa-basso a passo 13 punti (equivalenti a 13 mesi se sono presenti tutti i dati e ad un intervallo maggiore in caso di dati mancanti).
Le stazioni (tab.1) sono state indentificate con le prime tre lettere del nome (a volte impegnativo come Molodeznaja, stazione antartica russa) e con un valore numerico (o “su”) per il livello di pressione; così, ad esempio, sod30-0012 (.txt,.png,.pdf) identifica i dati di Sodankyla a 30 hPa misurati a 00z e 12z e sodsu-0012 gli stessi dati misurati sulla superficie. I file con una “f” nel nome (es. sodf500.png) mostrano i fit lineari.

Tabella 1. Stazioni usate in questo post. AY=Antartide, CH=Cina
# NAME ID CC LAT LON ELEV WMO OBTIMES
02 SODANKYLA sod FI 67.37 26.65 178 02836 00z 12z …
28 KASHI kas CH 39.47 75.98 1291 51709 00z 12z …
44 BARROW bar US 71.30 -156.78 12 70026 00z 12z …
51 BAKER LAKE bkl CA 64.30 -96.00 49 71926 00z 12z …
68 MOLODEZNAJA mol AY -67.67 45.85 40 89542 00z 12z …
70 MCMURDO mcm AY -77.85 166.67 24 89664 00z … …
78 INVERCARGILL inv NZ -46.42 168.32 4 93844 00z 12z …

Alcuni esempi di fit ben definiti (fig.1, pdf); mal definiti per assenza di veri break point alle date prefissate (fig.2, pdf) e praticamente non definibili per mancanza di dati o per il dataset poco esteso (fig.3, pdf) sono mostrati nelle figure successive.

Fig.1: I fit definiscono tre zone precise. Vedere anche mcmfsu.png.

 

Fig.2: I fit definiscono tre zone che possono facilmente diventare due o forse una, per l’assenza di veri BP. Vedere anche mcmf500.png o invfsu.png.

 

Fig.3: I fit definiscono forse due zone, ma sicuramente la terza non ha un numero di dati sufficienti per un fit significativo. Vedere anche kasfsu.png dove il passaggio dalla seconda alla terza zona è poco significativo a causa dei molti dati mancanti (linea orizzontale tra il 1992 e il 1997).

 

Il risultato complessivo, basato sull’esame visuale dei fit, è riportato in tabella 2. I risultati del test di Student (t-test) sono disponibili nel sito di supporto qui.

Tabella 2: Situazione dei 3 fit per Ratpac-B di 7 stazioni. Si mostra la diversità ;(Y) o l’uguaglianza (N) delle pendenze dei due fit successivi.

St\hPa 30 100 500 850 Surf
Sod Y/Y Y/Y Y/Y Y/Y Y/Y
Kas N/Y N/Y N/N Y/Y Y/Y
Bar N/Y Y/Y N/N N/Y Y/N
Bkl N/Y N/N ?/? Y/Y Y/Y
Mol Y/N Y/? Y/? Y/? N/?
Mcm Y/? Y/Y N/Y ?/Y Y/Y
Inv Y/Y N/Y N/Y ?/Y N/N
Nota: Sono usati i file relativi al paragrafo “linear fits of a single pressure level” nel sito di supporto. Y/Y: il 1.o Y (o N) si riferisce al confronto tra il primo e il secondo tratto (BP=1987); il 2.o Y (o N) si riferisce al confronto tra il secondo e il terzo tratto (BP=1996).

Note alla ispezione visuale dei fit. I commenti si riferiscono a (riga,colonna) della tabella precedente: ad esempio (1,1) è Sod, 30 hpa. BP è “break point”.
(1,1) OK
(1,2) OK
(1,3) OK
(1,4) OK
(1,5) il 1997 potrebbe non essere un BP
(2,1) un solo BP nel 1999
(2,2) un solo BP nel 1998
(2,3) nessun BP
(2,4) un BP nel 1997
(2,5) dati mancanti; un BP nel 1990
(3,1) un solo BP nel 1995
(3,2) stessa pendenza prima e dopo il 1987-1996
(3,3) un fit parabolico sembra migliore dei 3 fit lineari
(3,4) crescita continua; nessun BP alle date fissate
(3,5) forse un solo BP nel 1997
(4,1) forse un solo BP nel 1996
(4,2) forse un solo BP nel 1997
(4,3) poco chiaro; forse un solo BP nel 2000
(4,4) OK. Il 2.o BP forse nel 2000
(4,5) OK. Il 2.o BP forse nel 2001
(5,1) dati mancanti: solo il BP del 1987
(5,2) dati mancanti: solo il BP del 1987
(5,3) poco chiaro: forse i BP nel 1980 e nel 1989
(5,4) nessun BP alle date indicate; forse un BP nel 1980
(5,5) nessun BP alle date indicate; forse nel 1980 e nel 1993
(6,1) dati mancanti: solo il BP del 1987
(6,2) OK; il BP del 1987 forse in altra data precedente
(6,3) forse solo un BP nel 1999
(6,4) il BP del 1996 forse nel 2000
(6,5) OK; il BP del 1996 forse nel 2000
(7,1) OK; il BP del 1996 forse nel 2000
(7,2) forse un solo BP nel 1997
(7,3) forse un solo BP nel 1997
(7,4) forse un solo BP 997
(7,5) Nessun BP evidente

Se si osservano, per le singole stazioni, le anomalie sui cinque livelli di pressione come in fig.4 (pdf) si vede che, in genere ma con varie sfumature, le maggiori variazioni hanno luogo nei livelli stratosferici mentre i livelli troposferici mostrano break point più sfumati.

Fig.4: Anomalie per Sodankyla sui cinque livelli di pressione usati. Si usano le osservazioni a 00z sia perché sono comuni a tutte le stazioni sia per la notevole somiglianza con le osservazioni a 12z.

La stessa situazione si nota per la stazione meridionale di Invercargill in fig.5 (pdf)

Fig.5: Anomalie per Invercargill sui cinque livelli di pressione usati. Anche qui i livelli troposferici non mostrano BP o li mostrano con molta incertezza.

Le stazioni antartiche mostrano qualche problema: Molodeznaja per la breve durata del dataset che, nell’intervallo disponibile, appare quasi costante; McMurdo per le ampie fluttuazioni, in particolare quella a 30 hPa con diminuzione di 7-8 °C nel giro di 8 anni. Complessivamente, però, questa stazione ha un andamento non dissimile da quello di Invercargill, con una maggiore evidenza di break point ai livelli stratosferici. Ai livelli troposferici, McMurdo mostra un brusco cambiamento attorno al 1976-77.

Conclusioni
I livelli stratosferici mostrano variazioni di temperatura più accentuate in anni non distanti o coincidenti con quelli scelti a priori, sia nell’emisfero nord che in quello sud anche se forse per cause diverse.
Nei livelli troposferici i break point appaiono meno definiti, ma ancora c’è qualche indicazione di cambiamenti nel 1987 e nel 1996 o negli anni limitrofi.

Tutti i grafici e i dati, iniziali e derivati, relativi a questo post si trovano nel sito di supporto qui

Bibliografia

 

  • L. Mariani, S. G. Parisi, G. Cola & O. Failla: Climate change in Europe and effects on thermal resources for crops, Int. J. Biometeorol., 56, 6, 1123-1134. doi:10.1007/s00484-012-0528-8

 

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Author: Franco Zavatti

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2 Comments

  1. Caro Franco,
    grazie per la grande mole di lavoro svolto e per le interessantissime cose che emergono.
    Visto che hai citato alcune mie considerazioni voglio segnalare che i breakpoint (gradini) nelle serie storiche possono essere anche di origine strumentale.
    In particolare fra gli anni 80 e 90 del XX secolo le reti osservative di superficie e gli stessi radiosondaggi hanno cambiato radicalmente la tecnologia alla loro base (le stazioni sono passate da meccaniche in capannina automatiche elettroniche; le radiosonde hanno subito anch’esse modifiche rilevanti – si pensi solo ai sistemi di posizionamento basati su satellite o ai sistemi di lancio automatico). Ciò per dire che dobbiamo farci carico anche di questi aspetti e non pensare in modo acritico che ogni gradino riscontrato in una serie storica sia sempre e comunque di origine climatica.
    Guardando poi le serie, mi ha colpito soprattutto quanto accade in stratosfera. Esemplare in tal senso è la 100 hPa di Sodankyla presente nei tuoi materiali di supporto (sia quella di base che quella con le rette interpolanti). In essa infatti si coglie un gradino rilevante centrato intorno ai primi anni 90 e con un prima più caldo e un dopo più freddo di circa 1°C.
    Visto che mi pare di ricordare che la stratosfera più fredda sia considerata come una sorta di “pistola fumante dell’AGW”, mi domando come mai il fenomeno di raffreddamento non sia graduale (in linea con il trend di crescita di CO2 in atmosfera) ma assuma la forma di due fasi stazonarie intervallate da un gradino. Non è che la causa sia un’altra e non legata ai gas serra antropici? E’ qualcosa che accade fra gli anni 80 e gli ani 90 e che si vede molto bene in stratosfera….
    Circa Sodankyla ricordo che il primo produttore mondiale di radiosonde era (e forse è ancora) una ditta finlandese e cioè la Vaisala (https://en.wikipedia.org/wiki/Vaisala), il mi porta a pensare che il sondaggio di Sodankyla sia molto ben curato e dunque possa essere a maggior ragione assunto a caso esemplare (prego chi fosse più informato di me in tema di radiosonde di intervenire confermando o meno questa mia illazione).
    Luigi

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    • Caro Luigi,
      contavo sui tuoi commenti puntuali, di cui ti ringrazio, anche per ricordare che quando ho iniziato a fare questi conti mi hai scritto che probabilmente i dati più controllati erano quelli di troposfera (escluso surf) perché erano i più utili alle previsioni meteo.
      Per questo sono stato molto cauto nelle conclusioni (e perché Samuels nel suo post su WUWT è stato duramente attaccato per cambi di strumentazione nel 1996 -o almeno i commentatori scrivevano così). Così non ho utilizzato il mio metodo di calcolo dei break point ma ho preferito usare due date per molti versi definite indipendentemente dalle radiosonde. Il sistema è meno preciso ma, almeno visivamente, permette di verificare la congruenza tra le osservazioni (i loro salti) e le date prefissate. E a me è sembrato che questa congruenza sia presente nei dati, pur con tutte le cautele del caso.

      Sui dati di Sodankala (quando l’ho visitata, nel 1974, durante un congresso di bibliotecari polari a cui partecipava mio padre, si chiamava così e continuo a preferire il nome italiano al termine inglese Sodankyla) hai ragione: sono impressionanti i salti netti nei livelli stratosferici.
      Per la diminuzione di temperatura stratosferica come segno dell’AWG credo che ci sia varietà, anche nelle poche stazioni che ho ridotto.
      Ma, sì, se ci fosse qualche lettore più esperto sull’argomento credo proprio che leggeremmo con piacere le sue considerazioni.
      Ciao. Franco

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