[論文レビュー] Global surface temperature trends and the effect of World War II

B. Gottschalk|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Scientific Research and Discoveries参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ガウス型の二次関数モデルを用いたパラメトリック曲線フィッティングを実施し、4つの陸上および4つの海洋ベースの独立した全球地表気温データセットを分析した。その結果、第二次大戦中（5.2σの有意水準）に0.339°Cの温度上昇が統計的に有意に検出された。著者らは、この上昇が測定誤差ではなく、戦時中の化石燃料燃焼の増加によるものであると結論づけ、二次項によるトレンド項が示すところによると、現在の温暖化速度は約2.5°C/世紀であり、長期間平均の0.747°C/世紀をはるかに上回っていることを強調している。

ABSTRACT

Using parametric analysis (curve fitting) we find a persistent temperature bump, coincident with World War II (WW2), in eight independent time series, four land- and four ocean-based. We fit the data with a Gaussian on a quadratic background. Six parameters (constant, linear and quadratic background terms and the amplitude, position and width of the Gaussian) are free to vary. The mean fitted Gaussian amplitude is 0.339$\pm$ 0.065$\,^\circ$C, non-zero by 5.2$σ$ and therefore not accidental. The area is 2.0$\pm$0.5$\,^\circ$C yr. Temperature recovered to baseline rather quickly. Rather than coincidence, or systematic measuring error synchronized with WW2, we conjecture the bump is due to human activity, including the greatly increased combustion (relative to that era) of fossil and other fuels. Background surface temperature behavior, a byproduct of our study but largely independent of the WW2 bump, is far more consequential nowadays. The linear term, 0.747$\pm$0.023$\,^\circ$C/century, agrees well with other findings, but the present-day rate of increase, $\approx$2.5$\,^\circ$C/century, is far greater because of the quadratic term.

研究の動機と目的

• 第二次大戦中に観測された0.2–0.3°Cの温度上昇が、全球地表気温記録の本物の特徴であるかどうかを特定すること。
• この上昇が、系統的な測定誤差、偶然、または人為的要因に起因するかどうかを評価すること。
• 特に二次項による加速成分を含めた長期的背景気温トレンドを定量化すること。
• 独立した陸上および海洋ベースの気温データセットにおいて、WW2上昇の頑健性を評価すること。

提案手法

• 12個のNOAA気温差分データセット（6つが陸上、6つが海洋）に、多項式係数の安定化を目的とした次元なし時間変数uを用いたガウス型の二次関数的背景モデルを適用した。
• 月間分散データから得た重みを用いてχ²を最小化するように、Levenberg-Marquardt法を用いてモデルをフィッティングした。
• 偏りを避けるために、全データセットに共通の初期パラメータ値を固定し、χ²の0.1%未満の改善が得られたかで収束を検証した。
• 最終フィットの曲率行列を用いてパラメータの不確実性を計算し、信頼性の高い誤差推定を確保した。
• 適合が良好とされたデータセットの間で、パラメータの重み付き平均を計算した（極域およびゾーン3は除外）。
• χ²/(M−6) ≈ 4を用いてモデルのフィット品質を評価し、ENSOなどの非統計的ノイズ要因を認識した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第二次大戦中の気温上昇は、独立した陸上および海洋ベースの気温記録においても一貫して観測される特徴であるか？
• RQ2 WW2の気温上昇は、系統的な測定誤差やデータ処理のアーチファクトによって説明可能か？
• RQ3 この上昇は統計的に有意であるか、それとも偶然に起因する可能性があるか？
• RQ4 WW2の気温異常の大きさと持続期間は何か？また、長期的温暖化トレンドと比べてどう異なるか？
• RQ5 二次項トレンド項の導入により、現在および歴史的温暖化速度の解釈にどのような影響が生じるか？

主な発見

• WW2の気温上昇は、平均で0.339 ± 0.065°Cであり、0と差が5.2σ以上に達しており、ランダムな偶然によるものではないことが示された。
• 上昇の面積は2.0 ± 0.5°C·年であり、全球地表気温に一時的2.0°C·年のインパルスとして作用したと解釈できる。
• 長期的な線形温暖化トレンドは0.747 ± 0.023°C/世紀であり、他の独立した推定値と整合的である。
• 二次項トレンド項から、現在の瞬間的温暖化速度は約2.5°C/世紀であると示唆されており、長期平均をはるかに上回っている。
• WW2終了後、気温異常は速やかにベースライン水準に戻ったことから、一時的な上昇にもかかわらず気候の短期的安定性が保たれたことが示された。
• この上昇は8つの独立したデータセットにおいても頑健であり、バケツ冷却効果（海洋データにのみ影響し、逆方向に作用）といった既知のバイアスでは説明できない。