マイクロ波サウンディングユニットの温度測定

マイクロ波サウンディングユニット温度測定は、マイクロ波サウンディングユニット機器を使用した温度測定を指し、衛星から地球の大気温度を測定するいくつかの方法の1つです。マイクロ波測定値は、 TIROS-Nから始まるNOAA気象衛星に組み込まれた1979年以来、対流圏から取得されています。比較すると、使用可能な気球（ラジオゾンデ）記録は1958年に始まりますが、地理的範囲が狭く、均一性も低いです。

マイクロ波輝度測定では、温度を直接測定するわけではない。さまざまな波長帯の放射輝度を測定し、それを数学的に反転させて間接的に温度を推定する必要がある。^{[1] [2]}結果として得られる温度プロファイルは、放射輝度から温度を取得するために使用される方法の詳細によって決まる。その結果、衛星データを分析したさまざまなグループが、さまざまな温度傾向を取得している。これらのグループには、Remote Sensing Systems (RSS) やアラバマ大学ハンツビル校(UAH) などがある。衛星シリーズは完全に均質ではなく、記録は、類似しているが同一ではない計測機器を搭載した一連の衛星から構築されている。センサーは時間とともに劣化し、衛星の軌道ドリフトを補正する必要がある。再構築された温度シリーズ間の特に大きな差は、連続する衛星間で時間的な重複がほとんどない数少ない時点で発生し、相互較正を困難にしている。

1979年から2005年までマイクロ波探査ユニット（MSU）が、また1998年からはNOAA極軌道衛星に搭載された先進マイクロ波探査ユニットが、大気中の酸素からの湧昇するマイクロ波放射の強度を測定してきました。その強度は、理論とラジオゾンデ（気球）プロファイルからの大気温度との直接比較によって実証されているように、 大気の広い垂直層の温度に比例します。

異なる周波数は、大気圏を通過するマイクロ波の吸収深度（すなわち、光学的深度）に応じて、大気圏の異なる加重範囲をサンプリングする。 ^{[3] [4]} 低高度の温度プロファイルのデータを導き、成層圏の影響を除去するために、研究者は、約650 hPaで最大値を示す「2LT」など、異なる高度と視野角での信号を減算することによって合成製品を開発してきた。しかし、このプロセスはノイズを増幅し、^[5]衛星間の較正バイアスを増加させ、表面汚染を強める。^[6]

記録は、9つの異なるMSUとAMSUのデータを組み合わせて作成されていますが、それぞれのデータには、結果の傾向に大きな影響を与える可能性があるため、計算して除去する必要がある特性があります。^[7] 放射輝度記録から温度記録を構築するプロセスは難しく、必要な修正のいくつかは傾向自体と同じくらい大きいです。 ^[8]

湧昇放射は異なる周波数で測定され、これらの異なる周波数帯は、大気の異なる重み付け範囲をサンプリングします。^[3]大気は部分的に不透明ですが、完全には不透明ではないため、測定される明るさは、マイクロ波の浸透深度に応じて、大気帯全体の平均になります。^[4]衛星によって測定される 輝度温度(T _B ) は、次のように表されます。^[9]

${\displaystyle T_{B}=W(0)T(0)+\int \limits _{0}^{TOA}W(z)T(z)\,dz}$

ここで、は地表の重み、は地表と大気レベルの温度、は大気の重み関数です。 ${\displaystyle W(0)}$${\displaystyle T(0)}$${\displaystyle T(z)}$${\displaystyle z}$${\displaystyle W(z)}$

表面重量と大気重量は両方とも表面放射率、吸収係数、地球入射角に依存します。表面重量は、と減衰係数の積です。 ${\displaystyle e_{S}}$${\displaystyle \kappa (z)}$${\displaystyle {\theta}}$${\displaystyle e_{S}}$

${\displaystyle W(0)=e_{S}e^{-\tau (0,\infty )\sec \theta }}$

ここで、セカントシータ項は光路長の垂直角への依存性を表し、光学的深さを表します。 ${\displaystyle \tau}$

${\displaystyle \tau =\int \limits _{z1}^{z2}\kappa (z)dz}$

大気の重み付け関数は次のように記述できます。 ${\displaystyle W(z)}$

${\displaystyle W(z)=\kappa (z)\sec \theta e^{-\tau (z,\infty )\sec \theta }+\kappa (z)\sec \theta e^{-\tau (0,z)\sec \theta }(1-e_{S})e^{-\tau (0,\infty )\sec \theta }}$

この式の最初の項は、レベルから上向きに放射され、大気の上部 (∞) までの経路に沿って減衰する放射に関連しています。2 番目の項には、レベル z から表面 (0) まで下向きに放射される放射と、表面によって大気の上部に反射される放射 ( に比例) が含まれます。 の正確な形式は、大気の温度、水蒸気、液体の水の含有量によって異なります。 ${\displaystyle z}$${\displaystyle e_{S}}$${\displaystyle W(z)}$

MSUチャンネル1は、地表からの放射に非常に敏感であり、さらに最下層対流圏の水蒸気/液体の水によってひどく汚染されているため、大気温度の監視には使用されません。^[10]

チャンネル2またはTMTは、下層成層圏とかなり重複しているものの、対流圏を広く代表しています。重み関数は350hPa（高度約8kmに相当）で最大値を示し^[11]、約40hPaと800hPa（高度約2～22km）で半減します。

図 3 (右) は、衛星測定から異なる波長でサンプリングされた大気レベルを示しています。TLS、TTS、および TTT は 3 つの異なる波長を表します。最も低い測定値である TTT には、大気と地表の両方の放射からの輝度が含まれていることに注意してください。TMT と TLT は、以下で説明するように、大気モデルを使用して計算された下層対流圏温度の高度範囲を表します。

T4 または TLS チャネルは、地球表面から約 17 km 上空でピーク重み関数を持つ下部成層圏の温度を表します。

下層圏温度の計算

より低い高度のデータを取得し、成層圏の影響を取り除くために、何人かの研究者が、最低高度 (TMT) の測定値からより高い高度の値を差し引く合成製品を開発しました。このようなデータ分析技術は、高度が温度に与える影響をモデル化することに依存しています。しかし、このプロセスはノイズを増幅し、^[5]衛星間の較正バイアスを増やし、表面汚染を強めます。^[6] SpencerとChristy は、異なる視野角の信号を差し引くことで合成「2LT」(後に「TLT」に改名) 製品を開発しました。これは約 650 hPa で最大値を持ちます。2LT 製品は、さまざまな補正が適用されたため、多数のバージョンを経てきました。フーとヨハンソン^[12]は、 TTT（全対流圏温度）チャネルはTMTチャネルとTLSチャネルの線形結合であると主張した。全球平均ではTTT=1.156*TMT-0.153*TLS、熱帯緯度ではTTT=1.12*TMT-0.11*TLSである。

日中サンプリング

すべての MSU 機器と、それほどではないが AMSU 機器は、太陽同期赤道通過時間からゆっくりとドリフトし、機器によって観測される現地時間を変更します。そのため、自然な日周サイクルが長期傾向にエイリアシングされる可能性があります。日周サンプリング補正は、TLT と TMT の場合、10 年あたり数百分の 1 °C 程度です。

軌道の減衰

すべての極軌道衛星は打ち上げ後に高度を失いますが、太陽活動が活発な期間中は、紫外線放射の増加によって上層大気が暖められ、宇宙船の摩擦抵抗が増加するため、軌道の減衰はより大きくなります。

軌道の減衰により、表面に対する機器の視野角が変わり、観測されるマイクロ波放射率が変わります。さらに、長期時系列は、相互較正された衛星データを順次マージすることで構築されるため、誤差が時間の経過とともに合計され、必要な補正は TLT の場合 0.1 °C/10 年のオーダーになります。

キャリブレーションの変更

MSU 機器は地球をスキャンするたびに、深宇宙 (2.7K) と搭載された暖かいターゲットを使用して較正測定を行いますが、宇宙船が日周サイクルでドリフトすると、太陽の影の影響が変化するため較正ターゲットの温度が変化する可能性があります。補正は、TLT と TMT の場合、10 年あたり 0.1 °C のオーダーです。

広く報告されている衛星気温記録の 1 つは、アラバマ大学ハンツビル校(UAH)のロイ・スペンサーとジョン・クリスティが作成した記録です。この記録は一連の異なる衛星から取得されており、衛星間の相互較正の問題が重要であり、特に NOAA-9 は RSS と UAH の分析の違いの大部分を占めています。^{[13] NOAA-11 は、ミアーズ}らによる 2005 年の研究で重要な役割を果たし、スペンサーとクリスティのバージョン 5.1 から 5.2 への傾向の 40% の上昇につながる日周補正のエラーを特定しました。 ^[14]

記録は9つの異なるMSUのデータを統合して作成されており、それぞれのMSUには特異性（例えば、現地の太陽時に対する宇宙船の時間ドリフト）があり、それらは結果の傾向に大きな影響を与える可能性があるため、計算して除去する必要があります。^[7]

放射輝度記録から気温記録を構築するプロセスは困難です。衛星気温記録は一連の異なる衛星から取得されており、衛星間の相互較正の問題が重要であり、特にNOAA-9はさまざまな分析間の差異の大部分を占めています。^{[15] NOAA-11は、Mears}らによる2005年の研究で重要な役割を果たし、SpencerとChristyのバージョン5.1から5.2への傾向の40%の急上昇につながる日周補正のエラーを特定しました。^[14] 衛星気温データセットの差異を解決するための取り組みが進行中です。

MSU の取得結果を地表温度記録の傾向と比較するには、地表に最も近い大気の部分、つまり下層対流圏の傾向を導き出すのが最も適切です。前述のように、最低温度取得結果 TLT は直接測定された値ではなく、より低い測定値からより高高度の輝度温度を差し引いて計算された値です。下の表に示す UAH グループと RSS グループから見つかった傾向は、わずかに異なる方法で計算されており、傾向の値が異なります。

T2またはTMTチャネル（冷却した成層圏からの大きな寄与を含む）を使用して、リモートセンシングシステム（RSS）のミアーズらは（2017年1月まで）10年あたり+0.140℃の傾向を発見しました。 ^[16] アラバマ大学ハンツビル校（UAH）のスペンサーとクリスティは、10年あたり+0.08℃というより小さな傾向を発見しました。^[17]

これらの測定値を地表温度モデルと比較する場合、MSU による下層対流圏測定値の結果値は、複数の高度 (およそ 0 ～ 12 km) にわたる温度の加重平均であり、地表温度ではないことに注意することが重要です (上の図 3 の TLT を参照)。したがって、結果は地表温度モデルと正確に比較できるものではありません。

もう一つの衛星温度解析はNOAA/NESDIS STAR衛星応用研究センターによって提供されており、同時天底通過（SNO） ^[25]を使用して 衛星相互較正バイアスを除去し、より正確な温度傾向を生み出しています。STAR-NOAA解析では、TMTチャネルの1979年から2016年までの傾向は+0.129°C/10年であることがわかっています。^[20]

成層圏の汚染を除去するための代替調整法を用いたところ、^[26] RSSデータセットに適用した場合は1979～2011年の傾向が+0.14℃/10年、UAHデータセットに適用した場合は+0.11℃/10年の傾向が見られました。^[27]

ワシントン大学の分析によると、1979年から2012年までの傾向は、RSSデータセットに適用した場合は+0.13°C/10年、UAHデータセットに適用した場合は+0.10°C/10年となっている。^[28]

2013年、カウタンとウェイは^{、地表温度データに基づく世界平均気温は、サンプルされていない} 地域が地球の表面に均一に分布していない場合、不完全な地球規模のカバレッジのためにバイアスが発生する可能性があると示唆した[29][30]。彼らはこの問題に対処するために、地表温度の測定値と衛星データを組み合わせてカバレッジを補った。1979年から2016年の期間、HadCRUT4の地表データとUAHの衛星カバレッジを組み合わせると、10年ごとに0.188℃の世界表面温暖化傾向が示された。^[31]

1978年から2000年代初頭にかけての地表温度記録と衛星記録の不一致は研究と議論の対象となった。1978年から1998年にかけてのUAHの取得傾向に温暖化が見られなかったことは、クリスティとスペンサー^{[32]によって指摘され、2000年の}国立研究評議会^{[33] [34]}の報告書と2001年のIPCC 第三次評価報告書^{[35]でも言及されている。}

クリスティーら（2007）は、ラジオゾンデによる熱帯気温の傾向が彼のv5.2 UAHデータセットと最も近いと主張した。^[36]さらに、彼らは、NOAA-12衛星が打ち上げられた1992年からRSSとゾンデの傾向の間に矛盾があったと主張した。^[37]

1998年のUAHデータでは、 10年あたり0.05Kの冷却が示されていました（3.5km、中層から低層対流圏）。RSSのWentzとSchabelは1998年の論文で、これは（他の矛盾とともに）NOAA衛星の軌道の減衰によるものだと示しました。^[38]軌道の変化を考慮すると、データは大気のこのレベルで 10年あたり0.07Kの温度上昇を示しました。

初期の衛星記録に対するもう一つの重要な批判は、その短さでした。記録に数年を追加したり、特定の時間枠を選択したりすると、傾向が大幅に変わる可能性があります。

2005 年初頭まで、同じデータから出発したにもかかわらず、各主要研究グループはそれを異なる結果で解釈していました。最も注目すべきは、RSS の Mears らが2005年 7 月までの下層対流圏の気温上昇を 0.193 °C/10 年と報告したのに対し、UAH は同じ期間に +0.123 °C/10 年と報告したことです。

これらの相違点を解決するための努力が続けられていました。初期の結果の相違点の多くは、2005 年 8 月 11 日のScience 誌に掲載された 3 つの論文によって解決されました。これらの論文では、UAH 5.1 の記録と熱帯地方のラジオゾンデの記録の誤りが指摘されていました。

成層圏の汚染を除去するための代替調整法は、Fuら（2004）によって導入された。 ^[26]補正後、鉛直加重関数は対流圏のT2（TMT）チャネルとほぼ同じになる。^[39]

2006年にVinnikovらが行った再解析では、10年あたり+0.20℃（1978～2005年）であることがわかった。^[40]

より長期間にわたる分析により、データの不一致の一部は解決されましたが、すべてではありません。IPCC第5次評価報告書（2014年）は、「ラジオゾンデと衛星センサーによる測定の複数の独立した分析に基づくと、20世紀半ば以降、地球全体で対流圏は温暖化し、成層圏は寒冷化していることはほぼ確実です。傾向の兆候については全員一致で同意しているものの、気温変化率については、特にラジオゾンデによって十分にサンプリングされている北半球の温帯対流圏以外では、利用可能な推定値の間にかなりの不一致があります」と述べています。 ^[41]そして、「傾向の計算とその不確実性についてはかなりの方法論的議論がありましたが、LTとMTの両方で10年あたり約±0.1°Cの95％信頼区間が一貫して得られています（例：セクション2.4.4、McKitrickら、2010年）。^[42]

^{ウェンツとシャベル[38} ]による補正と同様に、プラバカラら^[43 ]の研究によるUAH解析についても、2000年には早くも疑問が提起されていた。プラバカラらは、衛星ドリフトによる誤差を最小限に抑えた。彼らは、地表の傾向と合理的に一致する0.13℃/10年の傾向を発見した。

1990年代に最初の結果が発表されて以来、UAH TLTデータセットを計算するアルゴリズムには多くの調整が加えられてきました。^{[44] [8]修正の表は、} UAH衛星温度データセットの記事に記載されています。

地表温度記録（NASA GISS ^[45]によると1979年から2012年までの10年間で+0.161±0.033 °C/10年）の傾向と比較するには、地表に最も近い大気の部分、つまり下層対流圏の傾向を導き出すのが最も適切です。2019年12月までこれを実行すると、次のようになります。

• RSS再構築線形温度傾向は+0.208℃/10年の温暖化を示している。^{[46] [18]}
• UAH再構築線形気温傾向1979-2019は+0.13℃/10年の温暖化を示している。^{[47] [22]}

しばらくの間、入手可能な唯一の衛星記録は UAH バージョンであり、これは (処理アルゴリズムの初期バージョンでは) 最初の 10 年間は地球全体の寒冷化傾向を示していました。それ以降、より長い記録と処理に対する多数の修正によってこの図は修正され、UAH と RSS の測定値は両方とも温暖化傾向を示しています。

2005 年に米国気候変動科学プログラム(CCSP)の一環として数十人の科学者によって作成された詳細な分析では、衛星データを含むさまざまな気温観測のエラーが特定され、修正されました。そのレポートには次のように記されています。

「これまで報告された地表付近と大気圏上空の温暖化量との食い違いは、気候モデルの信頼性と人為的地球温暖化の現実を疑問視する根拠となってきた。具体的には、地表データは地球全体の平均温暖化が相当進んでいることを示しているのに対し、衛星データとラジオゾンデデータの初期バージョンでは地表上の温暖化はほとんど見られなかった。衛星データとラジオゾンデデータの誤りが特定され修正されたため、この大きな食い違いはもはや存在しない。また、このような食い違いを示さない新しいデータセットも開発されている。」^[48]

2007年のIPCC第4次評価報告書^[48]では次のように述べられている。

「気球と衛星による下層・中層対流圏温度の新たな分析では、温暖化率は地表温度記録のものと似ており、それぞれの不確実性の範囲内で一貫しており、TARで指摘された矛盾をほぼ解消している。」

気候モデルは、地表が温暖化すると、地球全体の対流圏も温暖化すると予測している。地球全体では、対流圏（MSU サウンダーが測定する TLT 高度）は地表の約 1.2 倍温暖化すると予測されており、熱帯地方では対流圏は地表の約 1.5 倍温暖化するはずである。^{[引用が必要]} しかし、2005 年の CCSP レポートでは、データにフィンガープリント技術を使用した結果、「火山および人為的フィンガープリントは、観測された減衰率の変化パターンで一貫して識別できなかった」と指摘されている (ここで「減衰率」は高度による温度の変化を指す)。特に、対流圏増幅が最も明確に見られるはずの熱帯地方で、不一致の可能性が指摘されている。彼らは次のように述べている。

「熱帯地方では、モデルと観測の一致は、考慮する時間スケールに依存します。月ごとおよび年ごとの変動については、モデルと観測の両方で増幅が見られます (つまり、月ごとおよび年ごとの変動は、地上よりも上空で大きくなります)。これは、比較的単純な物理現象、つまり空気が上昇して雲の中で凝縮するときに潜熱が放出される影響の結果です。この増幅の大きさは、モデルと観測で非常に似ています。ただし、10 年およびより長い時間スケールでは、ほぼすべてのモデル シミュレーションで上空の温暖化が大きくなっていることが示されています (月ごとおよび年ごとの時間スケールで作用する同じ物理プロセスを反映しています)。一方、ほとんどの観測では地上の温暖化が大きくなっていることが示されています。

「これらの結果は、短期および長期スケールでの「現実世界」の増幅効果がさまざまな物理的メカニズムによって制御され、モデルがそのような動作を捉えることができなかったため、または観測された対流圏データセットの一部またはすべてに残っている非気候的影響が偏った長期的傾向につながったため、またはこれらの要因の組み合わせのために生じた可能性があります。このレポートの新しい証拠は、2 番目の説明を支持しています。」

最新の気候モデルシミュレーションでは、地球の平均気温の変化についてさまざまな結果が出ています。一部のモデルでは、対流圏の温暖化が地表よりも大きいことを示していますが、わずかに少ない数のシミュレーションでは逆の挙動を示しています。これらのモデル結果と地球規模での観測結果の間には根本的な矛盾はなく、^[48]傾向は現在同様です。

世界的に見ると、IPCCが2007年に第3次評価の準備に使用したほとんどの気候モデルは、1979～1999年について、TLTレベルで地表レベルよりもわずかに大きい温暖化（10年あたり0.03℃の差）を示しています^{[48] [49] [50]。}一方、GISSの傾向は1979～2012年で+0.161℃/10年であり^[45] 、 UAHとRSSが衛星データから計算した下層対流圏の傾向は+0.130℃/10年^[22]と+0.206℃/10年です^{[18] 。}

UAH 衛星から得られた下層対流圏の傾向 (+0.128 °C/10 年) は現在、GISS とハドレー センター地上観測所ネットワークの傾向 (それぞれ +0.161 °C/10 年と +0.160 °C/10 年) の両方よりも低く、RSS の傾向 (+0.158 °C/10 年) も同様です。ただし、下層対流圏の予想される傾向が実際に地表よりも高い場合、地表データを考慮すると、対流圏の傾向は約 0.194 °C/10 年となり、UAH と RSS の傾向はそれぞれ予想値の 66% と 81% になります。

衛星データは現在地球温暖化を示していますが、下層圏の温暖化に関しては気候モデルの予測と衛星データの示す値の間にはまだ若干の違いがあり、気候モデルは衛星の測定よりもわずかに温暖化を予測しています。^[51]

UAHデータセットとRSSデータセットはどちらも1998年以降、全体的に温暖化傾向を示していますが、UAHの取得ではRSSよりもわずかに温暖化が抑えられています。2017年6月、RSSはv4をリリースしましたが、これによりデータに見られる傾向が大幅に増加し、RSSとUAHの傾向の差が拡大しました。^[52]

別の衛星測定技術であるアクア衛星の大気赤外線サウンダによる大気測定は、地表データとほぼ一致している。^[53]

• 地上、気球、衛星の記録を比較したグラフ（2007 年アーカイブ）
• NOAAラジオゾンデ温度データ