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Aggiornato il 30 agosto 2015

La pausa nelle temperature. Sì, ma da quando? E il cherry picking?

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

"Most of the recent research tends to agree with natural variability beeing the most probable cause of the last 15-year hiatus in surface temperature as MDV is currently on a negative phase" (Macias et al., 2014, PloseOne, Vol 9, issue 9, e107222) [MDV= Multi Decadal Variability].
Nell'articolo, di settembre 2014, da cui è tratta questa frase, la pausa delle temperature ha una durata di 15 anni ma abitualmente si leggono "accreditamenti" di 17, 18 anni, addirittura di 18 anni e 1 mese sul sito di Joanne Nova da cui è tratta la successiva Fig.1.


Fig.1: I dati RSS da settembre 1996. La pausa continua. Grafico di Christopher Monckton.

Guardando un qualsiasi grafico delle temperature globali medie mensili, ognuno è in grado di affermare con sicurezza che "da un certo momento" in poi le temperature, che crescevano dal 1970 al tasso di (0.17±0.01)°;C/decade (dai dati NOAA, v.ad es. qui), hanno smesso di salire, attestandosi su un andamento piatto costante o, in alcuni casi, decrescente. Si parla quindi di "pausa" o "iato" ("hiatus" in inglese) delle temperature.
Va tutto bene, ma qual'è il "certo momento" da cui inizia la pausa?
Non potendo disporre di una teoria che ne specifichi esattamente l'inizio, la pausa è lasciata alla scelta empirica del momento iniziale (cioè, nel caso delle medie mensili, il mese iniziale). La scelta è quindi arbitraria e dà àdito al sospetto (o, ad esempio, nel caso di Bob Tisdale, all'accusa frequente) che venga fatta per dimostrare l'idea che si aveva a priori (cherry picking).
Ad esempio, se guardassi la Fig.2 potrei pensare di scegliere la fine del 2002 oppure,


Fig.2: Anomalie medie mensili NOAA fino a settembre 2014. Nel grafico in basso i residui dal fit lineare (i dati "detrended)" confrontati con una sinusoide di ampiezza 0.2 °C, periodo 61 anni e fase (anno) iniziale 1860.

immaginando una compensazione tra il picco del 1998 (El Niño) e la successiva discesa del 2000-2001, fissare l'inizio al gennaio 1997 o ancora, come fatto in Fig.1, a settembre 1996: in ogni caso una scelta (quasi) arbitraria.
Fatte le debite proporzioni, la pausa è un po' come il tempo (il tempo dell'orologio) di Sant'Agostino: "Che cos'è insomma il tempo? Lo so finché nessuno me lo chiede; non lo so più, se volessi spiegarlo a chi me lo chiede." (Conf. 11,15,18). Vedere anche qui per un commento filosofico divulgativo.

Per cercare di togliere un po' (solo un po') di ambiguità a un fenomeno tanto evidente quanto sfuggente, ho pensato di raccogliere alcuni dataset di temperature medie mensili, questi:
1409t.datNOAA global
noaa-sh.datNOAA Southern Hemisphere
hadcrut4gl-new.datHadCrut 4 global
hadcrut4nh-new.datHadCrut 4 Northern Hemisphere
hadcrut4sh-new.datHadCrut 4 Southern Hemisphere
hadsst3-gl-new.datHadCrut 3 SST global
hadsst3-nh-new.datHadCrut 3 SST Northern Hemisphere
hadsst3-sh-new.datHadCrut 3 SST Southern Hemisphere
uahncdc_lt_5.6.txtUAH Satellite Lower Troposphere Temperature
RSS-glRSS TLT{*}
{*} TLT (Temperature Lower Troposphere) is a more complex data set constructed by calculating a weighted difference between measurements made at different Earth incidence angles to extrapolate MSU channel 2 and AMSU channel 5 measurements lower in the atmosphere. Because of the differences involves measurements made at different locations, and because of the large absolute values of the weights used, additional noise is added by this process, increasing the uncertainty in the final results. Vedere anche qui
Tab.1: I dataset usati nel post. I dati RSS sono -per me- poco conosciuti e quindi ho aggiunto alcune righe di commento tratte dal sito che li contiene.

dai quali calcolare il fit lineare, assumendo come mese iniziale di ogni fit quello che inizia a gennaio 1997 e finisce a gennaio 2003 con passo 1 mese (cioè 73 fit per ogni dataset). Sono usati gli ultimi dati disponibili: settembre 2014 per noaa e hadcrut4; ottobre 2014 per hadsst3, uah e rss.
La speranza era di riuscire a definire un mese a partire dal quale la pendenza avesse valore nullo o negativo (entro gli errori) e, confrontata con i valori vicini, si potesse dire qualcosa tipo :"Bene, da qui la pendenza è zero e, fatte salve le normali fluttuazioni, continua ad essere zero o negativa fino al valore iniziale di gennaio 2003" (fino al fit del sottoinsieme di dati che inizia a gennaio 2003). Di conseguenza ho definito i criteri elencati di seguito..

  1. pendenza zero o negativa.
  2. pendenza che mantiene il suo valore per tutti i punti iniziali successivi (costanza della pendenza).
  3. i due punti precedenti entro gli errori di ±1σ.
Tab.2: I criteri (si spera) oggettivi usati per definire l'inizio della pausa delle temperature. Fissare una barra di errore diversa, ad esempio di ±2σ come abitualmente fatto in climatologia, porterebbe ad altri risultati: in questo caso all'impossibilità pratica di definire oggettivamente un punto di inizio pausa.

In pratica, per ogni dataset viene definito il punto corrispondente a gennaio 1997, calcolato il fit lineare da questo punto fino all'ultimo valore disponibile (settembre o ottobre 2014) e salvati i parametri, in particolare la pendenza della retta e il suo errore standard stimato (nei file è indicato come ese= estimated standar error, al livello di confidenza di 1σ). Poi il processo viene ripetuto usando come valore iniziale quello corrispondente a febbraio 1997 e così via fino a quando il punto iniziale diventa gennaio 2003. Successivamente si graficano le pendenze (in °C/decade; in un caso in °K/decade ma la scala non cambia) in funzione del mese iniziale della serie e si analizzano, seguendo i criteri esposti, per cercare l'inizio della pausa.
Avrei voluto vedere, ad esempio, una pendenza in diminuzione fino a un particolare mese iniziale e da lì in avanti una pendenza quasi costante (o in diminuzione) fino al 73esimo fit. Come è normale, alcuni risultati hanno rispettato le attese e altri si sono comportati in modo diverso.

Prima di commentare i risultati voglio descrivere la Fig.2, della quale esiste nel sito di supporto l'equivalente per ogni dataset. Nella figura viene riportato il grafico delle temperature medie mensili globali (terra+oceano), la media mobile a 51 mesi (4.25 anni), la posizione temporale di alcuni eventi freddi e caldi (El Niño, eruzioni, Tunguska) e il fit lineare di tutto il dataset. Nel quadro in basso sono riportati i residui dal fit lineare (i dati "detrended") insieme ad una funzione sinusoidale a parametri fissi, uguale per tutti i dataset, che ha lo scopo di evidenziare (o meno) l'oscillazione dei residui e che non è molto significativa nel contesto di questo post.
Adesso vediamo i risultati dei fit e dei criteri.

Fig.3: I fit relativi a NOAA Global (terra+oceano).

La Fig.3 è il risultato finale per i dati NOAA globali e risponde bene ai criteri: da marzo 1999 la pendenza è in diminuzione a tasso costante (sempre entro gli errori) fino a marzo 2001 per poi attestarsi su un valore che si può considerare zero: le barre di errore hanno un'ampiezza di circa ±0.02 °C/decade e valori della pendenza uguali o inferiori all'errore assoluto hanno errori relativi uguali o superiori al 100% e possono essere considerati zero o vicini a zero. In ogni caso questo dataset non mostra una netta tendenza alla diminuzione delle temperature.
Il punto in cui la barra d'errore entra in "territorio negativo" corrisponde a gennaio 2001 e da questo momento -visti i criteri- inizia lo iato che dura 165 mesi o 13 anni e 9 mesi.

Fig.4: i fit relativi ai dati NOAA per l'emisfero sud.

I valori di Fig.4 mostrano un andamento simile a quelli di Fig.3 ma più accentuato: il valore centrale dell'intervallo diventa negativo a gennaio 2001 ma, usando i criteri, si vede che la pausa inizia ad agosto 2000 e dura 170 mesi o 14 anni e 2 mesi.

Dalla Fig.5 iniziano i dati HadCrut4 e Hadsst3

Fig.5: i fit relativi ai dati HadCrut4 globali

Le temperature globali HadCrut mostrano pendenze simili a quelle dei dati NOAA (anche se alcuni valori sono più elevati) e ugualmente lo iato inizia a gennaio 2001 e prosegue per 165 mesi o 13 anni e 9 mesi.

L'emisfero nord sembra mostrare l'inizio della pausa

Fig.6: i fit relativi ai dati HadCrut4, emisfero nord. Notare la scala verticale diversa (intervallo di 0.20 invece che 0.14 °C/decade).

a maggio 2001 ma poi, a marzo 2002, si esce dalla fascia di costanza per rientrarvi a settembre dello stesso anno. Qui la situazione è ambigua ma credo si possa utilizzare settembre 2002 come inizio dello iato, con durata 145 mesi o 12 anni e 1 mese.

L'emisfero sud, Fig.7, mostra l'inizio della pausa a maggio 2000, con durata di 173 mesi o 14 anni e 5 mesi

Fig.7: i fit relativi ai dati HadCrut4, emisfero sud.

Le Fig.8,9 e 10 si riferiscono alle SST dell'Hadley Center (HC) e non mostrano presenza di iato, se non l'emisfero sud (fig.10) le cui pendenze escono dalla fascia di costanza a maggio 2002 e quindi non rispondono ai criteri (siamo nella stessa situazione anche per i dati da gennaio 1997 ad aprile 1998 che poi escono dalla fascia).

Fig.8: i fit relativi ai dati HCSST3 globali. Da gennaio-febbraio 2000 la pendenza è positiva con tasso medio di circa 0.02 °C/decade: le temperature, quindi, crescono.



Fig.9: i fit relativi ai dati HCSST3, emisfero nord. Notare la scala verticale diversa (range 0.20 anzichè 0.14 °C/decade). Anche l'emisfero nord mostra una crescita delle temperature, da aprile-maggio 2001, con un tasso minimo di circa 0.03 e massimo di circa 0.075 °C/decade.



Fig.10: i fit relativi ai dati HCSST3, emisfero sud. Si può ipotizzare una crescita con tasso compreso ~0.01 e ~0.035 °C/decade a partire da aprile 2002.

Le temperature globali satellitari UAH, relative alla bassa troposfera,

Fig.11: i fit relativi ai dati UAH globali. Notare la scala verticale diversa (range 0.18 anzichè 0.14 °C/decade).

mostrano solo pendenze positive e quindi non è presente lo iato. Le pendenze mostrano una crescita delle temperature con tasso compreso tra 0.042 e 0.075 °C/decade, a partire da novembre 1999.

Non so se le temperature marine sono adatte a misurare lo iato, a causa della enorme capacità termica degli oceani rispetto a quella delle terre emerse (per non parlare di quella atmosferica). Le variazioni di temperatura, anche aventi luogo per più di un decennio (diciamo 14 anni e qualche mese), possono essere annullate (assorbite) facilmente dagli oceani: così la crescita misurata dalle Figg.8-10 sarebbe il residuo dell'aumento delle temperature medie nel trentennio 1970-2000. In questo caso, l'unico dataset globale che non mostra la pausa sarebbe UAH: e non sono in grado di dare una spiegazione di questo fatto.

Successivamente, e per confrontarmi con la Fig.1 (il grafico di Lord Monckton), ho analizzato anche i dati di RSS-TLT (temperature della bassa troposfera). Il risultato è in Fig.12.

Fig.12: i fit relativi ai dati RSS. Notare la scala verticale diversa (range 0.16 anzichè 0.14 °C/decade).

La scelta del punto iniziale di Fig.1 (settembre 1996) è fuori dall'intervallo usato qui e mostrato in Fig.12, ma è senz'altro compatibile con il criterio (1) di Tab.2, "pendenza zero o negativa". Però non rispetta il criterio (2) della "costanza della pendenza" attraverso tutti i punti iniziali successivi a quello scelto. Infatti, pur non potendo definire esattamente la pendenza a partire da settembre 1996, tracciando una retta orizzontale di ordinata 0.00 °K/decade, si esce dalla fascia di validità delle pendenze (barra di errore) in 2 o probabilmente 3 intervalli.

Il limite superiore della pendenza che permette di avere una retta orizzontale, tutta entro le barre di errore dei valori iniziali successivi, è -0.04 °K/decade e questo valore definisce l'inizio dello iato a giugno 2000, con durata 173 mesi o 14 anni e 5 mesi.

Aggiunta del 30 agosto 2015
Ho aggiunto ai dati precedenti lo stesso calcolo per la versione 6.0 beta3 di UAH (lt, bassa troposfera). L'andamento dei 73 fit è mostrato in fig.13.

Fig.13: I fit relativi ai dati UAHv6.0 beta. Notare, rispetto alla fig.11, i molti valori negativi della pendenza.

A differenza della versione 5.6 ora è visibile una pausa a partire da aprile 2001, per una durata di 171 mesi o 14 anni e 3 mesi.

Dagli 8 dataset che la mostrano
Inizio
mm/aa
Durata
mesi
Dataset
 
01/01165NOAA GL
08/00170NOAA SH
01/01165HC4 GL
09/02145HC4 NH (*)
05/00173HC4 SH
04/01171UAH6
06/00173RSS
07/02148CRUTEM4V GL
deriva una durata media della pausa di

(166±9) mesi o (13.8±0.8) anni (senza *)
o di
(163.75±11)mesi= (13.6±0.9) anni (con *)

e un inizio compreso tra

maggio 2000 e aprile 2001 (senza *)
o tra
maggio 2000 e settembre 2002 (con *)

Tab.3: Riassunto dei risultati. Il dato contrassegnato da (*) è il più incerto della serie.

I criteri scelti sono sempre discutibili e migliorabili: però l'uso di regole comuni a tutti i dataset permette almeno di mitigare il sospetto di cherry picking.


17.11.2014/29.11.14/30.8.15