[논문 리뷰] Global surface temperature trends and the effect of World War II: a parametric analysis (long version)

B. Gottschalk|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 19.

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한 줄 요약

이 연구는 1880–2016년 기간 동안의 12개의 글로벌 표면 온도 시계열(육상 및 해양)에 비선형 최소 제곱 피팅을 통해 2차 함수 위에 가우시안을 올린 모델을 적용하여, 8개의 비극지대에서 제2차 세계대전 기간 동안 통계적으로 유의미한 따뜻한 패턴이 존재함을 확인하였다. 이 패턴은 폭발량 0.3394 ± 0.0652 °C(영리로부터 5.2σ 떨어짐)로, 강건하며 전쟁 기간의 연소 활동으로 인한 인위적 기후 영향을 시사한다. 현재 조건이 유지될 경우 장기적인 온도 상승 추세에 따라 향후 20년 내에 0.5 °C 상승이 예측된다.

ABSTRACT

We fit 12 independent surface temperature time series (zones of latitude), 6 land- and 6 ocean-based, with a Gaussian (centered around WW2) on a quadratic background. The four polar zones are unusable. Each of the remaining 8 shows evidence of a 0.2-0.3 degree C bump, although one zone is dropped from the final analysis because of an aberrant fit. Thus, we find that a surface temperature increase around WW2 is a robust, statistically significant (5.2 sigma) feature of the data, and must either be a coincidence, due to systematic error that came and went around WW2, or direct evidence of the effect of human activity (an increase in combustion of various sorts) on the global climate. The fact that, at least in that era, the temperature recovered quickly, is encouraging. On the other hand, extrapolation of the background temperature rise predicts an increase of 0.5 degree C in the next 20 years if conditions remain the same.

연구 동기 및 목표

• 독립적인 글로벌 기온 기록에서 제2차 세계대전 기간 동안 통계적으로 유의미한 기온 이상이 존재하는지 확인하기 위해.
• 일관된 매개변수 모델을 사용하여 장기적 추세에서 제2차 세계대전 기간의 따뜻한 패턴을 분리하기 위해.
• 이 패턴이 통계적 오류이거나 우연의 일치인지, 아니면 인간 활동의 산물인지 평가하기 위해.
• 적합된 모델 기반으로 향후 글로벌 표면 기온 추세를 예측하기 위해.

제안 방법

• 30° 위도 대역으로 나누어진 12개의 월간 글로벌 기온 시계열(육상 6개, 해양 6개)에 대해 T(t) = p₁ + p₂u + p₃u² + p₆exp[−0.5((u−p₇)/p₈)²] 형태의 가우시안-위치 2차 함수를 피팅한다.
• 다항식 계수의 안정성과 수치 정밀도 향상을 위해 차원이 없는 시간 변환 u = B(t − A)를 적용하며, 여기서 A = 1948.5년, B = 0.014607년⁻¹이다.
• 모든 12개 데이터셋에 동일한 초기 매개변수 값을 사용하여 독립적인 비선형 최소 제곱 피팅을 수행하여 일관성을 확보한다.
• 데이터 부족으로 인해 4개의 극지대(1, 6, 7, 12)와 이상적인 피팅을 보이지 않는 적도 부근 육상 지역(3)을 제외한다.
• 7개의 수용된 피팅의 가중 평균을 통해 최종 매개변수 추정치와 1σ 오차를 유도한다.
• 최종 모델을 외삽하여 향후 20년간의 기온 추세를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제2차 세계대전 기간 동안 관측된 따뜻한 패턴이 독립적인 글로벌 기온 기록에서 통계적으로 유의미한가?
• RQ2 육상 및 해양 기온 데이터를 분리했을 때 패턴이 유지되며, 두 영역 간 매개변수는 일관성이 있는가?
• RQ3 이 패턴은 체계적인 측정 오류나 데이터 오류로 설명될 수 있는가?
• RQ4 적합된 모델 기반으로 장기적인 글로벌 표면 기온 추세는 무엇인가?
• RQ5 제2차 세계대전 기간의 패턴은 전쟁 기간의 연소 활동으로 인한 인위적 기후 영향과 일치하는가?

주요 결과

• 제2차 세계대전 기간의 기온 상승 패턴은 0.3394 ± 0.0652 °C의 폭발량을 가지며, 영리로부터 5.2 표준편차 떨어져 있어 강력한 통계적 유의성을 나타낸다.
• 가우시안 패턴 아래의 면적은 1.948 ± 0.577 °C·년으로, 영리로부터 3.4 표준편차 떨어져 있다.
• 이 패턴은 육상 및 해양 기록 양쪽 모두에 존재하며, 중심 위치(우도 u = −0.0692)와 지속 기간(σ = 0.0276)이 각 지역에서 일관되게 나타난다.
• 장기적인 기온 상승 추세는 0.747 ± 0.024 °C/세기로 추정되며, 독립적인 ERSST.v4 피팅 결과와 일치한다.
• 최종 모델의 외삽 결과에 따르면, 현재 추세가 유지될 경우 향후 20년 내에 글로벌 표면 기온이 0.5 °C 상승할 것으로 예측된다.
• 모델 결과는 제2차 세계대전 기간의 패턴이 체계적인 측정 오류나 우연의 일치로 인한 것이 아니며, 대부분의 경우 전쟁 기간의 연소 활동으로 인한 인간 활동의 결과로 가장 타당하게 설명된다고 시사한다.