The CO2 climate response problem a statistical approach

Summary The anthropogenic increase of the atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentration leads to a global warming of the atmospheric surface layer, whereas the stratosphere is cooled. This greenhouse effect postulated by a number of climate models (on a physical basis) can be conditionally verified by statistical multiple regression techniques. In this study the following climatic time series are used (all data yearly averages): northern hemisphere mean temperatures near surface 1781–1980 (alternatively since 1851 or 1881) and corresponding stratospheric data 1958–1983, sea surface temperatures 1856–1980, northern hemisphere or global average, alternatively, and the global mean sea level fluctuations 1881–1980. In order to account for an appropriate part of explained variance, volcanic and solar forcing parameters are implied and the data are low-pass filtered suppressing variations of the period rangeT < 10 years. Based on the recently assessed preindustrial CO₂ concentration of c. 280 ppm and the Mauna Loa value of c. 344 ppm in 1984 this industrial CO₂ increase reveals a northern hemisphere temperature increase near surface of c. (.7±.1) K (average and standard deviation of all statistical regression runs), statistically significant at the 95% level. A CO₂ doubling (300 to 600 ppm) leads to a statistically derived signal of (3.1±.6) K, satisfactorily congruent with the results of most of the (deterministic) climate models: c. (3±1.5)K. A stratospheric cooling trend in recent time may be existent but is highly non-significant. Similarly, the SST data do not allow to evaluate a significant CO₂ signal to noise ratio. In contrast to that the observed long-term global mean sea level increase (9.3 cm) can be predominantly attributed to the CO₂ effect (99.9% level).

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Zusammenfassung Der anthropogen bedingte Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxid-(CO₂-)Konzentration führt zu einer Erwärmung der bodennahen Luftschicht, während die Stratosphäre abgekühlt wird. Dieser Glashauseffekt, von zahlreichen Klimamodellierungen (auf physikalischer Basis) postuliert, kann auf statistischem Weg durch multiple Regressionsrechnungen bedingt verifiziert werden. Die vorliegende Studie basiert auf den folgenden Klima-Zeitreihen (alle Daten in Form von Jahresmittelwerten): nordhemisphärische Mitteltemperatur in Bodennähe 1781–1980 (alternativ seit 1851 bzw. 1881) und in der Stratosphäre 1958–1983, Meeresoberflächentemperatur 1956–1980, nordhemisphärisch bzw. global gemittelt, und mittlere globale Meeresspiegelschwankungen 1881–1980. Um einen angemessenen Teil erklärter Varianz zu erfassen, wurden vulkanische und solare Parameter mit einbezogen und eine Tiefpaßfilterung mit Unterdrückung des PeriodenbereichsT < 10 Jahre zugrunde gelegt. Auf der Basis des kürzlich abgeschätzten vorindustriellen CO₂-Konzentrationswertes von ca. 280 ppm und dem Mauna Loa Wert des Jahres 1984 von ca. 344 ppm entspricht dieser industrielle CO₂-Anstieg einer Erhöhung der bodennahen nordhemisphärischen Mitteltemperatur von ca. (0.7±0.1) K (Mittelwert und Standardabweichung aller Regressionsrechnungen), was einen auf dem 95%-Niveau signifikanten Temperaturanstieg darstellt. Eine CO₂-Verdoppelung (300 auf 600 ppm) führt, ebenfalls auf statistischem Weg, zu einem Temperatursignal von (3.1±0.6) K, in befriedigender Übereinstimmung mit den meisten der (deterministischen) Klimamodelle: ca. (3±1.5) K. In der Stratosphäre könnte in letzter Zeit ein Abkühlungstrend aufgetreten sein, der aber höchst insignifikant ist. Auch die SST-Daten erlauben keine signifikanten Schätzungen des Signal-Rausch-Verhältnisses. Im Gegensatz dazu kann der langfristige Trend des globalen Meeresspiegelanstiegs (9.3 cm) weitgehend dem CO₂-Effekt zugeschrieben werden (99.9%-Signifikanzniveau).

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With 7 Figures