Der vermeintlich goldene Standard bei Temperaturdaten am Boden ist der von der Univ. of East Anglia erstellte sog. Datensatz von CRUTem3. Es gab immer einen latenten Verdacht unter den Skeptikern, dass ein bestimmter Teil dieser offiziellen IPCC-Temperaturaufzeichnungen ein gewisses Niveau restlicher vermeintlicher Erwärmung als Folge des Wärmeinseleffektes von Städten UHI enthält. Viele veröffentlichte Studien haben diesen Verdacht im Laufe der Jahre immer mehr erhärtet.
Graphik rechts: Der Graph zeigt den UHI per Einwohnerzahl pro Landkreis in Kalifornien. Quelle: Goodridge 1996, veröffentlicht im Bulletin of the American Meteorological Society.
Der städtische Wärmeinseleffekt (UHI) ist den meisten Leuten vertraut: in Städten ist es typischerweise wärmer als in den ländlichen Gebieten der Umgebung, und zwar wegen der Ersetzung natürlicher Vegetation durch menschliche Strukturen. Wenn dieser Effekt an Stationen mit Thermometern mit der Zeit zunimmt, gibt es bei der Berechnung globaler Temperaturtrends mit diesen Daten eine verfälschte Erwärmung.
Anhand nicht adjustierter Daten von International Surface Hourly (ISH), die bei NCDC archiviert werden, werde ich in dieser Studie zeigen, dass der Erwärmungstrend der Nordhemisphäre, aus der fast alle Thermometerdaten stammen, eine Funktion der Bevölkerungsdichte an der Messstation ist.
Abhängig davon, bis zu welcher immer geringeren Bevölkerungsdichte man die Ergebnisse ausweitet, beträgt die Bandbreite der fälschlichen Erwärmung im CRUTem3-Datensatz 14% bis 30%, wenn man drei Klassen der Bevölkerungsdichte zugrunde legt, und sogar 60% mit 5 Klassen.
DATEN & METHODE
Die Analyse der Stationsrohdaten kommt nicht von ungefähr. Im Zeitraum von 1973 bis 2011 gibt es Hunderttausende von Datenfiles im ISH-Archiv des NCDC. Jeder File repräsentiert die Daten einer Station von einem Jahr. Das Volumen der Daten macht viele Gigabytes aus.
Aus diesen Daten berechnete ich tägliche Temperaturmittelwerte von jeder Station, deren Reihe mindestens bis zum Jahr 1973 zurückreichte, dem Jahr einer großen Zunahme der Anzahl globaler Stationen, die in die ISH-Datenbasis Eingang gefunden hatten. Die tägliche Mitteltemperatur berechnete sich aus den 4 Standard-Synopzeiten (00, 06, 12, 18 UTC), einer Methode, die allgemein an Stationen in der ganzen Welt üblich ist.
Mindestens 20 Tage mit einem vollständigen Datensatz waren erforderlich, um eine monatliche Mitteltemperatur zu berechnen, und die Aufzeichnungsperiode von 1973 bis 2011 musste mindestens zu 80% vollständig sein, um in der Analyse berücksichtigt zu werden.
Dann teilte ich die Stationen aufgrund einer Volkszählung aus dem Jahr 2000 nach verschiedenen Bevölkerungsdichten an jeder Station ein; der diesbezügliche Datensatz hat eine Flächenauflösung von 1 km.
Dann akzeptierte ich nur alle Gitterquadrate mit 5 mal 5 Grad Länge/Breite (den gleichen, die Phil Jones bei der Konstruktion des CRUTem3-Datensatzes verwendet hat), die alle folgende Bedingungen erfüllen mussten: sie mussten eine CRUTem3-Temperatur und mindestens 1 Station aus jeder der drei Bevölkerungsklassen enthalten. Die Grenzen: 0, 15, 500 und 30000 Personen pro Quadratkilometer.
Durch die Bedingung, dass alle drei Bevölkerungsklassen in den Gitterquadraten vorkommen müssen, die wir analysierten, erhalten wir den besten ‚Äpfel-mit-Äpfeln-Vergleich’ zwischen Stationen mit unterschiedlicher Bevölkerungsdichte. Der Nachteil ist, dass die geographische Abdeckung geringer ist als im Datensatz von Jones, weil relativ wenige Gitterquadrate alle Bedingungen erfüllen.
Aber der Zweck dieser Studie ist es nicht, eine beste Abschätzung von Temperaturtrends im Zeitraum 1973 bis 2011 zu erhalten; stattdessen wollen wir eine Abschätzung der verfälschten Erwärmung im CRUTem3-Datensatz erhalten.
Ergebnisse
Die Ergebnisse zeigt die folgende Abbildung, die darauf hindeutet, dass der mittlere lineare Erwärmungstrend umso geringer ist, je geringer die Bevölkerungsdichte um diese Station ist (Periode 1973 bis 2011). Man beachte, dass der CRUTem3-Trend ein wenig höher ist als die einfache Mittelung aller ISH-Stationen zusammen; aber sie ist nicht so hoch, wie wenn man nur die Stationen mit der höchsten Bevölkerungsdichte mittelt.
Die Zeitreihe der Anomalien von CRUTem3 und die niedrigste Bevölkerungsdichte, die in die Berechnung dieser Trends eingehen, zeigt die nächste Graphik, zusammen mit polynomischen Fitts der Daten:
Noch einmal: der obige Graph steht nicht notwendigerweise für die gesamte Landmasse der Nordhemisphäre, sondern nur für jene 5 mal 5 Grad-Gitterquadrate, in der alle drei Klassen der Temperatur aufzeichnenden Stationen präsent sind.
Der Unterschied zwischen diesen beiden Temperaturverläufen zeigt die folgende Graphik:
Aus diesem letzten Plot geht eindeutig hervor, dass es eine zunehmende Verzerrung (Bias) im Vergleich der CRUTem3-Temperaturwerten mit den Temperaturen der niedrigsten Bevölkerungsklasse gibt.
Der lineare Trend von CRUTem3 ist um etwa 15% wärmer als der Temperaturtrend an Stationen mit der niedrigsten Bevölkerungsklasse. Aber wenn man diese Ergebnisse in der ersten Graphik auf eine Bevölkerungsdichte nahe Null extrapoliert (0,1 Personen pro Quadratkilometer), erhält man eine Überschätzung der Temperaturtrends von CRUTem3 von etwa 30%.
Wenn ich die Anzahl der Bevölkerungsklassen von 3 auf 5 erhöhe, erscheint der CRUtem3-Datensatz bei einer Bevölkerungsdichte von 0,1 Personen pro Quadratkilometer mit einer Überschätzung um 60%, aber da die Anzahl der Gitterquadrate mit Stationen in allen 5 Klassen nur etwa 10 bis 15 Mittelbildungen pro Monat zulässt anstatt 100 pro Monat, denke ich, dass diese Ergebnisse weniger zuverlässig sind.
Ich finde, dass die obigen Ergebnisse ziemlich überzeugend das bestätigen, was Anthony Watts, Pat Michaels, Ross McKitrick et al. schon vor Jahren betont haben: dass die bloße Lage der Thermometerhütten wahrscheinlich verfälschte Erwärmungstrends zeigte, die dann durch das IPCC für die offizielle Schätzung der Erwärmung aufgeblasen worden waren. Diese Resultate sind in etwa konsistent mit der Studie von McKitrick and Michaels (2007), in der sie herausfanden, dass bis zu 50% der berichteten Erwärmung seit 1980 verfälscht sein könnte.
Es wäre zu schön, wenn ich diese Arbeit zur Veröffentlichung einreichen könnte, aber ich bin es leid, dass die Wächter des IPCC meine Studien regelmäßig töten; je mehr sie den Schlussfolgerungen des IPCC widersprechen, umso unwahrscheinlicher ist deren Veröffentlichung. Das ist die Welt, in der wir leben.
Aktualisierung: Ich habe die Ergebnisse nur für die USA berechnet, die beweisen, dass CRUTem3 die Erwärmungstrends in den USA im Zeitraum 1973 bis 2011 um mindestens 50% überschätzt haben.
Ich habe Ergebnisse nur für die USA berechnet, und die sind ein wenig spezieller. Die ISH-Stationen wurden erneut nach der lokalen Bevölkerungsdichte eingeteilt. Temperaturtrends wurden individuell für jede Station berechnet, und die oberen bzw. unteren 5% der ‚Ausreißer’ in jeder der drei Bevölkerungsklassen wurde in der Analyse nicht berücksichtigt. Für jede Bevölkerungsklasse habe ich auch die ‚offiziellen’ CRUTem3-Trends berechnet und gemittelt, genau wie ich es mit den ISH-Stationsdaten gemacht habe.
Die Ergebnisse im folgenden Bild zeigen, dass für die 87 Stationen in der niedrigsten Bevölkerungsklasse der mittlere CRUTem3-Temperaturtrend um 57% wärmer war als der aus den ISH-Stationen berechnete Trend.
Hier werden also wirklich Äpfel mit Äpfeln verglichen… für jede Station, die in die Mittelbildung für jede Bevölkerungsklasse einbezogen worden ist, wurde eine korrespondierende nächstgelegene Station ebenfalls in die Mittelbildung für diese Bevölkerungsklasse einbezogen.
Wie kann man solche Ergebnisse anders deuten als dass es eine verfälschte Erwärmung im CRUTem3-Datensatz gibt? Ich sehe schon jetzt in den Kommentaren, dass es einige wenige Versuche gibt, die Aufmerksamkeit von diesem zentralen Punkt abzulenken. Ich würde gerne eine alternative Erklärung für diese Ergebnisse hören.
Roy W. Spencer, Ph.D.
Link: http://wattsupwiththat.com/2012/03/30/spencer-shows-compelling-evidence-of-uhi-in-crutem3-data/
Übersetzt von Chris Frey EIKE
Danke Herr Müller und Herr Limburg für die ergänzende Richtigstellung meiner Aussage. Ich meinte natürlich, in dieser Größenordnung taucht er nirgends auf.Der UHI wird negiert und unter „Homogenisierung“ kleingerechnet. Dabei geht man von nur 1Grad Stadt-Landgefälle aus. Bereits bei der Anfangs-Beschäftigung mit diesem Thema vor einigen Jahren und dem damals noch regen mailverkehr mit dem DWD hat dieser stets auf die damals bestehende Literatur zum UHI verwiesen und dass deshalb die heutigen Deutschlanddaten allerhöchstens um 0,1C falsch sein könnten. Wie auch hier bei EIKE mußte ich etliche Male beschreiben, dass ich nciht den einfachen Stadt-Land-Effekt von heute meine, sondern die Standortumgebung einer Station von heute mit der Standortumgebung derselben Station von früher verglichen haben möchte.
Mein Vorschlag, der DWD möge doch so eine Vergleichsstation mal nachbauen wurde begründend abgelehnt. Man vergleiche die Temp. des heutigen D mit denen von früher, und da komme nun mal eine Erwärmung heraus. Die Gründe hierfür zu finden, sei nicht die Aufgabe des DWD. Der von mir und Herrn Leistenschneider eingeführte zivilisatiorische WI mit 1,2 Grad in 130 Jahren zum Vergleich der Jahresmittel mit früher taucht allerdings immer noch nirgendwo auf.
Hallo Herr Kowatsch #1,
darf ich mir als Nichtfachmann erlauben, Ihren Kommentar an einer Stelle zu präzisieren? Sie schreiben im letzten Absatz: „Fazit: Die Wiedererwärmung nach 1850 ist in der Hauptsache menschengemacht, aber…“ Diese Wiedererwärmung gilt doch nur in bewohnten Gebieten, oder? Und wie viele Gebiete der Welt sind denn bewohnt im Verhältnis zur gesamten Oberfläche?
Reicht nicht schon diese Frage, um zu sehen, wes Geistes Kind die „Erwärmung“ ist? Taucht übrigens dieser UHI an irgendeiner Stelle der AGW-Literatur auf?
Chris Frey
Herr Frey
Zu Ihrer Ergänzungsfrage über die Erwärmung nach 1850:“…. Und wie viele Gebiete der Welt sind denn bewohnt im Verhältnis zur gesamten Oberfläche?..“ Meine Antwort: ES sind nicht nur die direkt bewohnten Gebiete, sondern eben alles an Flächen, was wir Menschen seit 1850 umgestaltet haben.(Unsere WI-Betrachtungen beginnen ab 1881) Aus anfangs kleinen Wärmeinseln sind in Deutschland ganze Wärmeregionen und Landschaften geworden. Und dort befinden sich auch die Messstationen und deren Thermometer zeigen den seit 130 Jahren schleichenden Zivilisatorischen Wärmeflächeneffekt mit an. Diesen WI gilt es in der Größe zu erfassen und bei Temperaturvergleichen mit früheren Jahrzehnten herauszurechnen, um zu wissen, welcher Anteil bei der Sonne und den anderen Einflussgrößen verbleibt.
Zu Ihrer Abschlussfrage: Der UHI taucht nirgendwo in der AGW-Literatur auf, er wird negiert und unser weiterreichender zivilisatorischer WI natürlich schon gar nicht. Denn dies würde ja bedeuten, dass CO2 entweder gar keine oder nur eine sehr geringe Einwirkung auf die Erwärmung seit 1850 hat. Und auf Ihre fragende Aussage:
…Reicht nicht schon diese Frage, um zu sehen, wes Geistes Kind die „Erwärmung“ ist?.. Antwort: Natürlich.
Ich denke, Sie haben sich an meiner Aussage, dass der UHI bzw. unser weiterreichender Zivilisations-WI eine „menschengemachte Erwärmung“ ist, gestört, denn dieser Begriff wird von den AGWlern stets im Zusammenhang mit der CO2-Erwärmung gebraucht.
zu #2, Herr Hofmann, das sollten wir uns tatsächlich fragen.Ich denke jetzt nicht nur an die physikalischen Einflüsse auf das Wettergeschehen, sondern auch an die zukünftigen Standortverlegungen. Ich gehe davon aus, dass viele Klimamessstationen des DWD bei den Windrädern stehen werden. Einen ähnlichen Vorgang hatten wir ab 1935, als die Messstationen der freien Fläche an die noch kleinen Flugplätze gelegt wurden und heute stehen sie neben den Landebahnen der Flughäfen im Strahle der heißen Abgase.
Aus all den Gründen vertraue ich sehr stark meinen eigenen inzwischen fast 60 Jahre währenden guten Frühlingsbeobachtungen in der Naturlandschaft, wo der Mensch noch weniger zivilisatorisch eingegriffen hat. Und dort macht immer noch der Mai die Bäume grün, ganz wie das Liedchen aus der kleinen Eiszeit dies beschreibt.
#4: Chris Frey sagt am Mittwoch, 04.04.2012, 20:06:
„Taucht übrigens dieser UHI an irgendeiner Stelle der AGW-Literatur auf?“
Es gab im Dezember bereits einen ähnlichen Artikel zum UHI Effekt auf WUWT: „The Impact of Urbanization on Land Temperature Trends“ (http://preview.tinyurl.com/cqy78bp). Die Referenzen dort gehen zurück bis ins Jahr 1982: T. R. Oke (1982). “The energetic basis of the urban heat island”. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 108: 1–24.
Vielleicht können Sie ja diesen WUWT-Artikel auch noch übersetzen …
Der örtliche Zubau an PV und Windanlagen erniedrigt die Lufterwärmung durch Sonneneinstrahlung, da bei PV direkt aus der Strahlung ein STrom erzeugt wird und bei der Windenergienutzung, erfolgt ebenfalls eine Minderung der Erwärmung durch Luftreibung. Ebenso wird die örtliche Erwärmung bei der Wasserkraftnutzung gemindert. Durch Wind und Wasserkraft sind es an die 1.000 Gigawatt weltweit, welche im Betriebsfall der Umwelt entzogen und als Strom fort geleitet werden. Da diese Leistung anderswo wieder, teils als Wärme frei werden kann .bzw. als magnetische Energie abgestrahlt wird, ist die Berechnung etwas kompliziert.
@J.Kowatsch #1
Und wir sollten uns weiter fragen, was der Zubau bzw. Versiegelung der Landschaft mit immer mehr Fotovoiltaik und Windanlagen für einen Einfluss (WI) auf die zukünftige Temperaturmessung und das Mikroklima Deutschland hat….
Eine erstaunliche Arbeit mit ertaunlichen Ergebnissen, jedoch für diejenigen, die unsere Arbeiten über den historischen WI bei EIKE gelesen und verinnerlicht haben, nichts Neues, sondern eine Bestätigung unserer Ergebnisse. Herr Spencer hat einfach das Datenmaterial der USA-Stationen aufgeschlüsselt und die Stationen in drei neue Töpfe geworfen: Großstädte, Städte und ländlich und dann dreimal die Temperaturverläufe berechnet und gezeichnet.
Herauskam, was bereits unsere Dale Enterprise Station in Virginia, eine Station fast ohne WI, zeigte: Ende 2009/10 wieder genauso warm vor 100 Jahren.
Allerdings gebe ich zu bedenken, dass auch die ländlichen Stationen nicht WI-frei sind, in den USA mag das wenig ausmachen, aber nicht in Deutschland.
Den in unseren Arbeiten (Leistenschneider, Kowatsch http://tinyurl.com/84ub8f8 ) beschriebenen historisch sich entwickelnden WI -wir nennen ihn auch Zivilisationseffekt- geht viel weiter als dieser UHI-Effekt, den Herr Spencer nun heraussubtrahiert hat. Wir beziehen auch die Änderungen bei einer Station am gleichen Standort in den letzten 130 Jahren mit ein. Eine Station auf dem Lande, wie z.B. auf der Zugspitze, blieb zwar am gleichen Standort, aber die Umgebung in einem Kilometer Umkreis hat sich energetsich vollkommen verändert. Deshalb gibt es bei uns in Deutschland keine Station, die in vollkommen gleicher historischer, physikalischer Umgebung steht wie zu Beginn der Temperaturaufzeichnungen Den Hohenpeißenberg haben wir mit dem WI=0,3 eingeschätzt, weil sich dort noch am wenigsten im Umkreis verändert hat.
Würden wir nach der gleichen Methode wie der Author in den USA vorgehen, dann müßten wir auch bei den ländlichen Stationen noch einen weiteren WI-Abzug machen und eine 4.Kurve dazu zeichnen mit der Beschreibung: ländliche Stationen mit herausgerechnetem Zivilisationseffekt.
Dann hätten wir den Temperaturverlauf Deutschlands gänzlich ohne WI, sprich: wenn sich Deutschland seit 1881 nicht verändert hätte und D. noch genauso aussehen würde wie 1880
DAs Problem wäre lediglich die Erstellung der 4. Temperaturkurve, dieses zusätzliche WI-Herausrechnen aus den ländlichen Stationen. Gelänge dies, dann würde für eine allgemeine sonnenbedingte Klimaerwärmung nach der Kleinen Eiszeit nicht mehr viel übrig bleiben.
Fazit: Die Wiedererwärmung nach 1850 ist in der Hauptsache menschengemacht, aber nicht durch CO2 hervorgerufen, sondern durch den aktiven Energieeintrag und durch die physikalische Umgestaltung der Landschaft einer sich vermehrenden Menschheit. Der Zivilisationseffekt bewirkte hauptsächlich den allgemeinen Erwärmungstrend seit 150 Jahren, das hat die wertvolle Arbeit von Spencer ebenfalls gezeigt. Ein Dank auch an Herrn Frey für die Literatursichtung außerhalb Deutschlands