Las mediciones de temperatura de la Unidad de Sondeo por Microondas se refieren a la medición de temperatura utilizando el instrumento de la Unidad de Sondeo por Microondas y es uno de varios métodos para medir la temperatura atmosférica de la Tierra desde satélites . Las mediciones de microondas se obtienen de la troposfera desde 1979, cuando se incluyeron dentro de los satélites meteorológicos de la NOAA , empezando por TIROS-N . En comparación, el registro de globos utilizables ( radiosonda ) comienza en 1958, pero tiene menos cobertura geográfica y es menos uniforme.
Las mediciones del brillo de las microondas no miden directamente la temperatura . Miden radiancias en varias bandas de longitud de onda , que luego deben invertirse matemáticamente para obtener inferencias indirectas de temperatura. [1] [2] Los perfiles de temperatura resultantes dependen de los detalles de los métodos que se utilizan para obtener temperaturas a partir de radiancias. Como resultado, diferentes grupos que han analizado los datos satelitales han obtenido diferentes tendencias de temperatura. Entre estos grupos se encuentran Remote Sensing Systems (RSS) y la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH). La serie de satélites no es completamente homogénea: el registro se construye a partir de una serie de satélites con instrumentación similar pero no idéntica. Los sensores se deterioran con el tiempo y es necesario realizar correcciones para la deriva del satélite en órbita. Se producen diferencias particularmente grandes entre las series de temperatura reconstruidas en los pocos momentos en que hay poca superposición temporal entre satélites sucesivos, lo que dificulta la intercalibración.
De 1979 a 2005, las unidades de sondeo por microondas (MSU) y desde 1998 las unidades avanzadas de sondeo por microondas de los satélites en órbita polar de la NOAA han medido la intensidad de la radiación de microondas ascendente procedente del oxígeno atmosférico . La intensidad es proporcional a la temperatura de amplias capas verticales de la atmósfera , como lo demuestran la teoría y las comparaciones directas con las temperaturas atmosféricas de los perfiles de radiosondas (globos).
Diferentes frecuencias muestrean un rango ponderado diferente de la atmósfera, dependiendo de la profundidad de absorción ( es decir , profundidad óptica ) de las microondas a través de la atmósfera. [3] [4] Para derivar datos del perfil de temperatura en altitudes más bajas y eliminar la influencia estratosférica, los investigadores han desarrollado productos sintéticos restando señales a diferentes altitudes y ángulos de visión; como el "2LT", que tiene un máximo de unos 650 hPa. Sin embargo, este proceso amplifica el ruido, [5] aumenta los sesgos de calibración entre satélites y mejora la contaminación de la superficie. [6]
Se han creado registros fusionando datos de nueve MSU diferentes y datos de AMSU, cada uno con peculiaridades que deben calcularse y eliminarse porque pueden tener impactos sustanciales en la tendencia resultante. [7] El proceso de construir un registro de temperatura a partir de un registro de radiancia es difícil y algunas de las correcciones requeridas son tan grandes como la tendencia misma: [8]
La radiancia ascendente se mide a diferentes frecuencias; estas diferentes bandas de frecuencia muestrean un rango ponderado diferente de la atmósfera. [3] Dado que la atmósfera es parcial pero no completamente opaca, el brillo medido es un promedio en una banda de la atmósfera, dependiendo de la profundidad de penetración de las microondas. [4] La temperatura de brillo (T B ) medida por satélite viene dada por: [9]
donde es el peso superficial, y son las temperaturas en la superficie y al nivel atmosférico y es la función de ponderación atmosférica.
Tanto el peso superficial como el atmosférico dependen de la emisividad de la superficie , el coeficiente de absorción y el ángulo de incidencia de la Tierra ; el peso superficial es el producto de y un factor de atenuación:
donde el término theta secante representa la dependencia de la longitud del camino óptico del ángulo vertical y es la profundidad óptica:
Las funciones de ponderación atmosférica se pueden escribir como:
El primer término de esta ecuación está relacionado con la radiación emitida hacia arriba desde el nivel y atenuada a lo largo del camino hacia la parte superior de la atmósfera (∞), el segundo incluye la radiación emitida hacia abajo desde el nivel z hasta la superficie (0) y la Radiación reflejada de regreso por la superficie (proporcional a ) hasta la parte superior de la atmósfera, la forma exacta depende de la temperatura, el vapor de agua y el contenido de agua líquida de la atmósfera.
El canal 1 de MSU no se utiliza para controlar la temperatura atmosférica porque es demasiado sensible a las emisiones de la superficie y, además, está muy contaminado por vapor de agua/agua líquida en la troposfera más baja. [10]
El canal 2 o TMT es ampliamente representativo de la troposfera , aunque con una superposición significativa con la estratosfera inferior; la función de ponderación tiene su máximo a 350 hPa (correspondiente a unos 8 km de altitud) [11] y la mitad de potencia a unos 40 y 800 hPa (aproximadamente 2 a 22 km).
La Figura 3 (derecha) muestra los niveles atmosféricos muestreados por diferentes longitudes de onda de las mediciones satelitales, donde TLS, TTS y TTT representan tres longitudes de onda diferentes. Tenga en cuenta que la medición más baja, TTT, incluye el brillo de las emisiones atmosféricas y superficiales. TMT y TLT representan el rango de altitud calculado y la temperatura de la troposfera inferior calculada utilizando un modelo atmosférico como se analiza a continuación.
El canal T4 o TLS es representativo de la temperatura en la estratosfera inferior con una función de ponderación máxima a unos 17 km sobre la superficie de la Tierra.
En un intento de derivar datos para altitudes más bajas y eliminar la influencia estratosférica , varios investigadores han desarrollado productos sintéticos que restan los valores de mayor altitud de la medición de altitud más baja (TMT). Esta técnica de análisis de datos depende de modelar el efecto de la altitud sobre la temperatura. Sin embargo, este proceso amplifica el ruido, [5] aumenta los sesgos de calibración entre satélites y mejora la contaminación de la superficie. [6] Spencer y Christy desarrollaron el producto sintético "2LT" (más tarde rebautizado como "TLT") restando señales en diferentes ángulos de visión; esto tiene un máximo alrededor de 650 hPa. El producto 2LT ha pasado por numerosas versiones a medida que se le han aplicado diversas correcciones. Otra metodología de este tipo ha sido desarrollada por Fu y Johanson, [12] el canal TTT (Temperatura troposférica total) es una combinación lineal del canal TMT y TLS: TTT=1,156*TMT-0,153*TLS para el promedio global y TTT=1,12 *TMT-0.11*TLS en latitudes tropicales
Todos los instrumentos de MSU y, en menor medida, AMSU se desvían lentamente del tiempo de cruce ecuatorial sincrónico con el Sol, cambiando la hora local observada por el instrumento, por lo que el ciclo diurno natural puede tener un alias en la tendencia a largo plazo. La corrección del muestreo diurno es del orden de unas pocas centésimas °C/década para TLT y TMT.
Todos los satélites en órbita polar pierden altura después del lanzamiento, la desintegración orbital es más fuerte durante el período de elevada actividad solar cuando la radiación ultravioleta mejorada calienta la atmósfera superior y aumenta la fricción sobre la nave espacial.
La desintegración orbital cambia el ángulo de visión del instrumento en relación con la superficie y, por tanto, la emisividad de microondas observada; además, la serie temporal a largo plazo se construye mediante la fusión secuencial de los datos satelitales intercalibrados de modo que el error se resume a lo largo del tiempo, el la corrección requerida es del orden de 0,1 °C/década para TLT.
Una vez que cada instrumento MSU de escaneo de la Tierra utiliza el espacio profundo (2.7K) y objetivos cálidos a bordo para tomar medidas de calibración, sin embargo, a medida que la nave espacial se desplaza a través del ciclo diurno, la temperatura objetivo de calibración puede cambiar debido al efecto variable de sombra solar, la corrección es del orden de 0,1 °C/década para TLT y TMT.
Un registro de temperatura satelital ampliamente difundido es el desarrollado por Roy Spencer y John Christy en la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH). El registro proviene de una sucesión de satélites diferentes y los problemas con la intercalibración entre los satélites son importantes, especialmente NOAA-9, que representa la mayor parte de la diferencia entre los análisis RSS y UAH. [13] NOAA-11 jugó un papel importante en un estudio de 2005 realizado por Mears et al. identificar un error en la corrección diurna que conduce al salto del 40% en la tendencia de Spencer y Christy de la versión 5.1 a la 5.2. [14]
Se han creado registros fusionando datos de nueve MSU diferentes, cada una con peculiaridades ( por ejemplo , deriva temporal de la nave espacial en relación con la hora solar local) que deben calcularse y eliminarse porque pueden tener impactos sustanciales en la tendencia resultante. [7]
El proceso de construir un registro de temperatura a partir de un registro de radiancia es difícil. El registro de temperatura satelital proviene de una sucesión de satélites diferentes y los problemas con la intercalibración entre los satélites son importantes, especialmente NOAA-9, que representa la mayor parte de la diferencia entre los distintos análisis. [15] NOAA-11 jugó un papel importante en un estudio de 2005 realizado por Mears et al. identificar un error en la corrección diurna que conduce al salto del 40% en la tendencia de Spencer y Christy de la versión 5.1 a la 5.2. [14] Se están realizando esfuerzos para resolver las diferencias en los conjuntos de datos de temperatura de los satélites.
Para comparar las recuperaciones de la MSU con la tendencia del registro de temperatura de la superficie, lo más apropiado es derivar tendencias para la parte de la atmósfera más cercana a la superficie, es decir , la troposfera inferior . Como se mencionó anteriormente, la más baja de las recuperaciones de temperatura, TLT, no es una medición directa, sino un valor calculado restando la temperatura de brillo de mayor altitud de las mediciones más bajas. Las tendencias encontradas en los grupos UAH y RSS, que se muestran en la siguiente tabla, se calculan mediante métodos ligeramente diferentes y dan como resultado valores diferentes para las tendencias.
Utilizando el canal T2 o TMT (que incluyen importantes contribuciones de la estratosfera , que se ha enfriado), Mears et al. de Sistemas de Detección Remota (RSS) encuentran (hasta enero de 2017) una tendencia de +0,140 °C/década. [16] Spencer y Christy de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), encuentran una tendencia menor de +0,08 °C/década. [17]
Al comparar estas mediciones con los modelos de temperatura de la superficie, es importante señalar que los valores resultantes de las mediciones de la troposfera inferior tomadas por la MSU son un promedio ponderado de las temperaturas en múltiples altitudes (aproximadamente de 0 a 12 km), y no una temperatura de la superficie (ver TLT en la figura 3 arriba). Por tanto, los resultados no son exactamente comparables con los modelos de temperatura superficial.
Otro análisis de temperatura satelital es proporcionado por el Centro NOAA/NESDIS STAR para Aplicaciones e Investigación de Satélites y utiliza pasos elevados simultáneos de nadir (SNO) [25] para eliminar los sesgos de intercalibración de satélites, lo que produce tendencias de temperatura más precisas. El análisis STAR-NOAA encuentra una tendencia entre 1979 y 2016 de +0,129 °C/década para el canal TMT. [20]
Utilizando un ajuste alternativo para eliminar la contaminación estratosférica, [26] se encontraron tendencias entre 1979 y 2011 de +0,14 °C/década cuando se aplicaron al conjunto de datos RSS y de +0,11 °C/década cuando se aplicaron al conjunto de datos UAH. [27]
Un análisis de la Universidad de Washington encuentra tendencias entre 1979 y 2012 de +0,13 °C/década cuando se aplica al conjunto de datos RSS y de +0,10 °C/década cuando se aplica al conjunto de datos UAH. [28]
En 2013, Cowtan y Way sugirieron [29] [30] que los promedios de temperatura global basados en datos de temperatura de la superficie tenían una posible fuente de sesgo debido a una cobertura global incompleta si las regiones no muestreadas no están distribuidas uniformemente sobre la superficie del planeta. Abordaron este problema combinando las mediciones de temperatura de la superficie con datos satelitales para completar la cobertura. Durante el período 1979-2016, combinando los datos de superficie de HadCRUT4 con la cobertura satelital de la UAH, muestran una tendencia de calentamiento global de la superficie de 0,188 °C/década. [31]
El desacuerdo inicial (1978 hasta principios de la década de 2000) entre el registro de temperatura de la superficie y los registros satelitales fue tema de investigación y debate. Christy y Spencer [32] observaron la falta de calentamiento observada en las tendencias de recuperación de la UAH entre 1978 y 1998, y la comentaron en un informe de 2000 del Consejo Nacional de Investigación [33] [34] y en el Tercer Informe de Evaluación del IPCC de 2001 [35 ]
Christy et al. (2007) afirmó que las tendencias de temperatura tropical de las radiosondas coinciden más con su conjunto de datos v5.2 UAH. [36] Además, afirmaron que había una discrepancia entre RSS y las tendencias de las sondas a partir de 1992, cuando se lanzó el satélite NOAA-12. [37]
En 1998, los datos de la UAH mostraban un enfriamiento de 0,05 K por década (a 3,5 km, troposfera media a baja). Wentz y Schabel de RSS en su artículo de 1998 demostraron que esto (junto con otras discrepancias) se debía a la desintegración orbital de los satélites NOAA. [38] Una vez que se permitieron los cambios orbitales, los datos mostraron un aumento de temperatura de 0,07 K por década en este nivel de la atmósfera.
Otra crítica importante a los primeros registros satelitales fue su brevedad: agregar algunos años al registro o elegir un período de tiempo particular podría cambiar las tendencias considerablemente.
Hasta principios de 2005, aunque comenzaron con los mismos datos, cada uno de los principales grupos de investigación los había interpretado con resultados diferentes. En particular, Mears et al . en RSS encontró 0,193 °C/década para la troposfera inferior hasta julio de 2005, en comparación con +0,123 °C/década encontrada por la UAH para el mismo período.
Se estaban realizando esfuerzos para resolver estas diferencias. Gran parte de la disparidad en los primeros resultados fue resuelta por los tres artículos publicados en Science el 11 de agosto de 2005, que señalaban errores en el registro del UAH 5.1 y en el registro de la radiosonda en los trópicos.
Fu et al. han introducido un ajuste alternativo para eliminar la contaminación estratosférica . (2004). [26] Después de la corrección, la función de ponderación vertical es casi la misma que la del canal T2 (TMT) en la troposfera. [39]
Otro nuevo análisis, realizado por Vinnikov et al. en 2006, se encontró +0,20 °C por década (1978-2005). [40]
El análisis durante un período de tiempo más largo ha resuelto algunas, pero no todas, las discrepancias en los datos. El Quinto Informe de Evaluación del IPCC (2014) afirmó: "basado en múltiples análisis independientes de mediciones de radiosondas y sensores satelitales, es prácticamente seguro que globalmente la troposfera se ha calentado y la estratosfera se ha enfriado desde mediados del siglo XX. A pesar del acuerdo unánime sobre la Como señal de las tendencias, existe un desacuerdo sustancial entre las estimaciones disponibles en cuanto a la tasa de cambios de temperatura, particularmente fuera de la troposfera extratropical NH, que ha sido bien muestreada por radiosondas, [41] y concluyó: "Aunque ha habido debates metodológicos sustanciales sobre el cálculo De las tendencias y su incertidumbre, se ha obtenido consistentemente un intervalo de confianza del 95% de alrededor de ±0,1 °C por década tanto para LT como para MT ( p. ej. , Sección 2.4.4; McKitrick et al. , 2010). [42]
Además de la corrección de Wentz y Schabel [38] , ya en el año 2000 surgieron dudas sobre el análisis de la UAH realizado por el trabajo de Prabhakara et al. [43] , que minimizaba los errores debidos a la deriva de los satélites. Encontraron una tendencia de 0,13 °C/década, lo que concuerda razonablemente con las tendencias de la superficie.
Desde la primera publicación de resultados en la década de 1990, se han realizado una serie de ajustes al algoritmo que calcula el conjunto de datos UAH TLT. [44] [8] Puede encontrar una tabla de las correcciones en el artículo del conjunto de datos de temperatura del satélite de la UAH .
Para comparar con la tendencia del registro de temperatura de la superficie (+0,161±0,033 °C/década de 1979 a 2012 según NASA GISS [45] ), lo más apropiado es derivar tendencias para la parte de la atmósfera más cercana a la superficie, es decir , la troposfera inferior . Haciendo esto, hasta diciembre de 2019:
Durante algún tiempo, el único registro satelital disponible fue la versión UAH, que (con las primeras versiones del algoritmo de procesamiento ) mostró una tendencia de enfriamiento global durante su primera década. Desde entonces, un registro más largo y una serie de correcciones en el procesamiento han revisado esta imagen, con mediciones tanto de UAH como de RSS que muestran una tendencia al calentamiento.
Un análisis detallado elaborado en 2005 por docenas de científicos como parte del Programa Científico del Cambio Climático de Estados Unidos (CCSP) identificó y corrigió errores en una variedad de observaciones de temperatura, incluidos los datos satelitales. Su informe decía:
El Cuarto Informe de Evaluación del IPCC de 2007 [48] establece:
Los modelos climáticos predicen que a medida que la superficie se calienta, también debería hacerlo la troposfera global. A nivel mundial, se predice que la troposfera (a la altitud TLT a la que mide la sonda MSU) se calentará aproximadamente 1,2 veces más que la superficie; En los trópicos, la troposfera debería calentarse aproximadamente 1,5 veces más que la superficie. [ cita necesaria ] Sin embargo, en el informe CCSP de 2005 se señaló que el uso de técnicas de toma de huellas dactilares en los datos produjo que "las huellas dactilares volcánicas y causadas por humanos no eran consistentemente identificables en los patrones observados de cambio de velocidad de caída". (Donde "tasa de lapso" se refiere al cambio de temperatura con la altitud). En particular, se observó una posible inconsistencia en los trópicos, el área en la que la amplificación troposférica debería verse más claramente. Ellos declararon:
Las simulaciones de modelos climáticos más recientes dan una variedad de resultados sobre los cambios en la temperatura promedio global. Algunos modelos muestran un mayor calentamiento en la troposfera que en la superficie, mientras que un número ligeramente menor de simulaciones muestran el comportamiento opuesto. No existe una inconsistencia fundamental entre los resultados y las observaciones de estos modelos a escala global, [48] y las tendencias ahora son similares.
A nivel mundial, la mayoría de los modelos climáticos utilizados por el IPCC en la preparación de su tercera evaluación en 2007 muestran un calentamiento ligeramente mayor en el nivel TLT que en la superficie (diferencia de 0,03 °C/década) para 1979-1999 [48] [49] [50 ] mientras que la tendencia del GISS es de +0,161 °C/década para 1979 a 2012, [45] las tendencias de la troposfera inferior calculadas a partir de datos satelitales por UAH y RSS son de +0,130 °C/década [22] y +0,206 °C/década. [18]
La tendencia a la baja troposfera derivada de los satélites UAH (+0,128 °C/década) es actualmente inferior a las tendencias de las redes de estaciones de superficie del GISS y del Centro Hadley (+0,161 y +0,160 °C/década respectivamente), mientras que la tendencia RSS (+0,158 °C/década) es similar. Sin embargo, si la tendencia esperada en la troposfera inferior es realmente mayor que la superficie, entonces, dados los datos de la superficie, la tendencia de la troposfera sería de alrededor de 0,194 °C/década, lo que hace que las tendencias UAH y RSS sean del 66% y el 81% del valor esperado. respectivamente.
Si bien los datos satelitales ahora muestran el calentamiento global, todavía hay alguna diferencia entre lo que predicen los modelos climáticos y lo que muestran los datos satelitales para el calentamiento de la troposfera inferior, y los modelos climáticos predicen un calentamiento ligeramente mayor que el que miden los satélites. [51]
Tanto el conjunto de datos de la UAH como el conjunto de datos del RSS han mostrado una tendencia general al calentamiento desde 1998, aunque la recuperación de la UAH muestra un calentamiento ligeramente menor que el RSS. En junio de 2017, RSS lanzó la versión 4, que aumentó significativamente la tendencia observada en sus datos, aumentando la diferencia entre las tendencias de RSS y UAH. [52]
Las mediciones atmosféricas tomadas mediante una técnica de medición satelital diferente, la sonda infrarroja atmosférica del satélite Aqua , muestran una estrecha concordancia con los datos de superficie. [53]
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