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Gastbeitrag von Willis Eschenbach

Drüben bei Phys.Org gibt es einen neuen Artikel, der Folgendes behauptet:

Ordnung im Chaos: Die antarktische Schwingung der Atmosphäre hat einen natürlichen Zyklus, entdecken Forscher

Klimawissenschaftler der Rice University haben eine „intern erzeugte Periodizität“ – einen natürlichen Zyklus, der sich alle 150 Tage wiederholt – in der Nord-Süd-Schwingung der atmosphärischen Druckmuster entdeckt, die die Bewegung der vorherrschenden Westwinde der südlichen Hemisphäre und des antarktischen Jetstreams antreibt.

Hier sind aus der zugrunde liegenden Studie ihre Fourier-Analysen, die ihre Behauptung stützen.

„Hmmm“, sez ich, „scheint irgendwie unwahrscheinlich“ … also habe ich mir die Studie angeschaut. Aus unbekannten Gründen wird die Antarctic Oscillation (AAO) auch Southern Annular Mode (SAM) genannt. In der Zusammenfassung heißt es:

Hier zeigen wir jedoch anhand von Beobachtungsdaten, Modelldaten und Theorie, dass SAM eine intrinsische 150-Tage-Periodizität aufweist, die aus der internen Dynamik der außertropischen Atmosphäre resultiert. Diese 150-Tage-Oszillation beeinflusst eindeutig die Variabilität der Niederschläge auf hemisphärischer Ebene und die Windbelastung an der Meeresoberfläche, was auf weitreichendere Auswirkungen dieser Periodizität auf das Wetter und Klima in Südwestküste schließen lässt.

Wir fanden auch heraus, dass viele moderne Klimamodelle diese Periodizität nicht originalgetreu reproduzieren können, was eine Erklärung für einige der zuvor gemeldeten Mängel dieser Modelle bei der Simulation der SAM-Variabilität liefert. Basierend auf diesen Erkenntnissen schlagen wir neue Metriken und Ideen vor, um diese Modelle zu bewerten, ihre Mängel zu verstehen und sie möglicherweise zu verbessern.

„Hmmm“, sez ich …

Was ist also die Antarktische Oszillation (AAO), wenn sie zu Hause ist? Nun, es ist der Unterschied zwischen dem durchschnittlichen „zonalen“ Druck auf Meereshöhe im Ring um den Planeten bei 40° südlicher Breite und dem entsprechenden zonalen Druck bei 60°S. Hier ist eine Karte des betreffenden Gebiets. 60°S ist der gepunktete Kreis, der die Spitze Südamerikas links von der Antarktis durchquert. 40°S ist der gepunktete Kreis direkt außerhalb des weißen Zentralbereichs.

Originalunterschrift aus dem Link unten: „Räumliches Muster der AAO.“

Eine Beschreibung, wie die AAO berechnet wird, die obige Grafik und tägliche Daten für die AAO sind hier von der NOAA für den Zeitraum 1871 bis 2012 erhältlich.

Und wie viele Beobachtungen haben wir über den täglichen Zonendruck rund um den Planeten bei 60° südlicher Breite ab 1871?

Nun ja … ungefähr keine. Vielleicht ein paar Beobachtungen aus dem Jahr 1871 von Feuerland in Südamerika oder der Südspitze der Südinsel Neuseelands … oder auch nicht. Ernsthaft. Fast keiner.

Aber keine Angst, deshalb haben wir „Reanalyse“-Klimamodelle. Hierbei handelt es sich um Klimamodelle, die durch die Einbeziehung unserer Beobachtungen regelmäßig daran gehindert werden, zu sehr aus der Bahn zu geraten.

Wir beginnen also mit einem Nachteil. Da wir fast keine Beobachtungsdaten haben, analysieren wir die Ergebnisse eines erneut analysierten Klimamodells. Nicht verheißungsvoll.

Abgesehen davon habe ich der Diskussion halber eine CEEMD-Analyse der gesamten Ergebnisse des NOAA-AAO-Computermodells von der oben verlinkten Website durchgeführt. Und was, könnte man sich vernünftigerweise fragen, ist „CEEMD“?

CEEMD ist „Complete Ensemble Empirical Mode Decomposition“. Ähnlich wie die Fourier-Analyse ist CEEMD eine Möglichkeit, ein komplexes Signal in zugrunde liegende „empirische Modi“ zu „zerlegen“, die Signale verschiedener Frequenzen enthalten, die zusammen das ursprüngliche Signal wiederherstellen. Die CEEMD-Analysemethode beschreibe ich in meinem Beitrag „Noise-Assisted Data Analysis“. Hier ist eine Ansicht der CEEMD-Analyse der vollständigen NOAA-AAO-Ergebnisse.

Abbildung 1. CEEMD-Analyse, vollständiger NOAA-AAO-Datensatz. Dies zeigt die empirischen Modi C1 bis C14. Die farbigen Linien zeigen die Stärke der zugrunde liegenden Signale zu verschiedenen Zeiträumen, die zusammen das ursprüngliche Signal ergeben.

Dies zeigt, dass die AAO aus einer Vielzahl von Signalen mit einer Länge von etwa 40 bis 1.000 Tagen besteht. Das stärkste Signal liegt jedoch nicht bei 150 Tagen. Hier ist eine Nahaufnahme des Bereichs der obigen Grafik von 100 bis 200 Tagen.

Abbildung 2. Wie in Abb. 1, zeigt jedoch den Bereich von 100 bis 200 Tagen. Der Peak mit dem Maximalwert liegt bei 183 Tagen. Nach 150 Tagen gibt es nichts Bemerkenswertes.

Nachdem ich mir Dutzende von CEEMD-Analysen angesehen habe, weiß ich, dass es in natürlichen Datensätzen oft das gibt, was ich „Pseudozyklen“ nenne. Dies sind Zyklen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auftreten, eine gewisse Zeit andauern und dann verschwinden. Bevor ich also erkläre, dass ein wirklich dauerhafter Zyklus existiert, führe ich dieselbe Analyse für Teilmengen der Daten durch. Wenn in den Daten ein echter persistenter Zyklus vorhanden ist, wird dieser in jeder Teilmenge angezeigt.

In diesem Fall habe ich die Daten in vier Viertel unterteilt und jedes einzeln analysiert. Die Ergebnisse werden unten angezeigt, beginnend mit dem frühesten Viertel der Daten.

Abbildung 3. Wie in Abbildung 2, zeigt jedoch das erste Viertel der Daten. Wie im vollständigen Datensatz liegt der Peak mit dem Maximalwert bei 183 Tagen. Nach 150 Tagen gibt es nichts Bemerkenswertes.

Nun werden die Ergebnisse so skaliert, dass der stärkste Zyklus im gesamten Datensatz einen Wert von 1,0 hat. Im oben gezeigten vollständigen Datensatz und dem frühesten Quartal war das der 183-Tage-Zyklus. Aber hier ist das zweite Quartal der Daten.

Abbildung 4. Wie in Abbildung 2, zeigt jedoch das zweite Viertel der Daten. Wie im vollständigen Datensatz liegt der Peak mit dem Maximalwert bei 183 Tagen. Es gibt einen kleineren Höhepunkt bei 147 Tagen.

Im zweiten Quartal gibt es einige Unterschiede in den Daten. Der 183-Tage-Zyklus ist nicht der stärkste Zyklus im Datensatz. Dieser Zyklus beträgt 365 Tage, ein Jahreszyklus. Die 183- und 147-Tage-Zyklen sind nur etwa halb so stark wie der Jahreszyklus. Hier ist eine erweiterte Grafik mit Daten bis zu 400 Tagen, die den stärksten Zyklus, den Jahreszyklus, zeigt.

Abbildung 5. Wie in Abb. 4, jedoch mit Darstellung der Zyklen bis zu 400 Tagen. Der größte Höhepunkt liegt nun bei 365 Tagen.

„Hmmm“, Abschnitt I … wenn wir zum dritten Quartal übergehen, stellen wir fest, dass der stärkste Höhepunkt erneut bei 365 Tagen liegt, aber …

Abbildung 6. Wie in Abbildung 2, zeigt jedoch das dritte Viertel der Daten. Der Peak mit dem Maximalwert liegt wiederum bei 365 Tagen (nicht dargestellt). Der größte Spitzenwert im 100-200-Tage-Bereich liegt bei 153 Tagen, dem Wert, den wir diesem Wert am nächsten gekommen sind. Allerdings gibt es mit 172 Tagen einen weiteren Höhepunkt von fast derselben Größe.

Neugieriger und neugieriger. Bedenken Sie, dass wir uns von der Computer-Reanalyse-Modellausgabe des ältesten Viertels, dem Jahr mit den wenigsten tatsächlichen Beobachtungsdaten, hin zu modernen Zeiten bewegen, in denen wir tatsächlich zumindest ein paar, wenn auch spärliche, Beobachtungen im interessierenden Bereich haben. Hier ist das letzte Viertel der Daten.

Abbildung 7. Wie in Abbildung 2, zeigt jedoch das vierte und jüngste Quartal der Daten. In diesem Teil der Daten liegt der Peak mit dem Maximalwert nicht bei 365 Tagen (nicht gezeigt). Stattdessen liegt sie bei 144 Tagen.

„Hmmm“, sez ich … „Ich sehe es nicht.

Als nächstes dachte ich, ich würde mir ansehen, wie groß diese zugrunde liegenden Zyklen sind. Einer der stärksten ist der 183-Tage-Zyklus im ersten Quartal der Daten … hier ist also die beste Anpassung einer 183-Tage- und einer 150-Tage-Sinuswelle an das erste Quartal der AAO-Daten.

Abbildung 8. Beste Anpassungen der 183-Tage- (rot) und 150-Tage-Sinuswellen (gelb) an die AAO-Daten des ersten Quartals.

Beachten Sie, dass der größte reguläre Zyklus in den Daten, der 183-Tage-Zyklus, recht klein ist … und der 150-Tage-Zyklus im Grunde nicht existiert.

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, das alles zu überprüfen. Hier ist ein Fourier-Periodogramm des ersten Viertels der AAO.

Abbildung 9. Fourier-Periodogramm des ersten Quartals der AAO-Daten.

Beachten Sie, dass es wie in den CEEMD-Daten eine ganze Reihe von Zyklen von etwa 40 Tagen bis 1.000 Tagen gibt. Der 183-Tage-Zyklus ist der größte, die Zyklen mit Perioden um die 150 Tage sind deutlich kleiner.

Und beachten Sie auch, dass Abbildung 9 das gleiche Ergebnis wie Abbildung 8 zeigt – der 183-Tage-Zyklus ist recht klein, nur 8 % des gesamten Datenbereichs.

[UPDATE] Bob Weber weist in den Kommentaren darauf hin, dass sie für ihre AAO-Daten einen anderen Datensatz verwendet haben, der über FTP verfügbar ist. Ich habe das verstanden. Es ist viel kürzer, nur seit 1979. Hier sind die relevanten Grafiken des FTP-Datensatzes ab 1979:

Abbildung 10. CEEMD-Analyse, vollständiger NOAA AAO FTP-Datensatz ab 1979. Dies zeigt die empirischen Modi C1 bis C14. Die farbigen Linien zeigen die Stärke der zugrunde liegenden Signale zu verschiedenen Zeiträumen, die zusammen das ursprüngliche Signal ergeben.

Kurioserweise beträgt der größte Zyklus in diesem Datensatz etwa 650–750 Tage.

Hier ist der Bereich von 100 bis 200 Tagen des FTP-Datensatzes ab 1979.

Abbildung 11. Wie in Abb. 10, zeigt jedoch den Bereich von 100 bis 200 Tagen. Der Peak mit dem Maximalwert liegt bei 145 Tagen. Allerdings ist es recht klein.

Hier ist die beste Anpassung der 145-Tage-Sinuswelle an den FTP-Datensatz von 1979:

Abbildung 12. Beste Anpassung der 145-Tage-Sinuswellen (rot) an die vollständigen AAO-FTP-Daten von 1979.

Abbildung 13. Fourier-Periodogramm des ersten Quartals des AAO FTP 1979 – vollständige Daten.

Der 145-Tage-Zyklus ist vorhanden, aber er ist winzig, nur etwas mehr als 4 % des Datenbereichs. Wie Sie sehen können, sind diese FTP-Daten ab 1979 hinsichtlich der Ermittlung eines signifikanten 150-Tage-Zyklus sogar noch schlechter als die Daten, die ich ursprünglich verwendet habe.

Was können wir daraus schließen? Nun, ich würde diese Schlussfolgerungen ziehen.

• In diesen Daten gibt es keinen regelmäßigen 150-Tage-Zyklus, wie die Autoren behaupten.

• Die Analyse des gesamten Datensatzes zeigt einen deutlichen Spitzenwert, der jedoch bei 183 Tagen und nicht bei 150 Tagen liegt.

• Die Analysen der vier einzelnen Datenquartale stimmen stark nicht überein.

• Zwei der Quartale weisen einen Höhepunkt bei rund 183 Tagen auf.

• Ein Viertel zeigt einen Höhepunkt bei 153 Tagen, ist aber nicht groß und hat einen fast ebenso großen Höhepunkt bei 173 Tagen.

• Die neuesten Daten zeigen einen Höhepunkt bei 144 Tagen.

• Die vier Quartale der Daten und der vollständige Datensatz weisen alle einen Höchststand nach etwa einem Jahr auf, der stärkste Höhepunkt ist jedoch nur in einem der Quartale und im gesamten Datensatz.

• Weder die vollständigen Daten noch eine der Teilmengen zeigen einen 150-Tage-Zyklus

• Alle Zyklen sind recht klein, wobei die Spitzen etwa 10 % des Datenbereichs oder weniger ausmachen.

• Angesichts der geringen Anzahl von Meeresspiegeldruckbeobachtungen im Südpolarmeer, insbesondere in früheren Zeiten und auf dem 60. Breitengrad, muss klar sein, dass wir größtenteils nicht die reale Welt analysieren, sondern hauptsächlich die Modellwelt. Zu Zeiten des Segelns und seitdem werden diese Breitengrade wegen der Stärke des Windes die „Roaring Forties“, die „Furious Fifties“ und die „Screaming Sixties“ genannt. Aus diesem Grund wagen sich auch heute noch nur sehr wenige Boote dorthin, und Beobachtungen des Meeresspiegeldrucks sind selten und räumlich und zeitlich weit verstreut.

• Es ist äußerst wichtig, eine Zerlegungsanalyse (sei es eine Fourier-Analyse, wie sie verwendet wurde, oder eine CEEMD-Analyse) für mehrere Teilmengen der Daten durchzuführen, bevor festgestellt wird, dass ein echter, permanenter Zyklus existiert. Jede Studie, die dies nicht tut, kann wahrscheinlich sofort verworfen werden.

„Hmmm“, sez ich … am Ende des Tages sehe ich überhaupt nicht, was die Autoren behauptet haben.

Allen das Allerbeste im Leben,

w.

Koda: Die Stadt, die meinem Wohnort am nächsten liegt, heißt Occidental. Der Donnerstags-Bauernmarkt hat gerade wieder begonnen. Ich lebe mit meiner wunderschönen Ex-Verlobten, unserer Tochter und unserem Schwiegersohn sowie zwei Enkelkindern zusammen – einem Mädchen, das „fast vier“ ist, und einem zweijährigen Jungen. Deshalb sind wir heute alle zum Occidental Farmers Market gegangen, wo wir zur Band getanzt haben, Scharen von Leuten gesehen haben, die wir kennen, und die Kinder mit ihren Freunden in der Sonne spielen konnten.

Ja, die Welt scheint auf dem Weg ins Verderben zu tänzeln … aber Familie, Freunde und der Sonnenschein sind für immer. Um Ihnen einen Eindruck von der Stadt und der Gemeinde zu vermitteln, finden Sie hier eine Geschichte über Occidental und einen Mann namens Ranger Rick.

Meine übliche Anfrage: Wenn Sie einen Kommentar abgeben, zitieren Sie bitte genau die Wörter, über die Sie sprechen. Dadurch wissen wir genau, worauf Sie sich beziehen.

Eine Erinnerung: Es ist wichtig, im Vordergrund jeder Analyse von Reanalyse-„Daten“ die Tatsache zu behalten, dass es sich nicht um Beobachtungsdaten jeglicher Art handelt. Es ist das Ergebnis eines Computer-Klimamodells mit allen Vorteilen und Problemen, die es mit sich bringt. Eine Diskussion einiger dieser Probleme finden Sie in meinem Beitrag „Meandering Through A Climate Muddle“.

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