Stiliserad visualisering av satellitposition och lokala referensaxlar under ett år för en satellit i låg omloppsbana med en lutning på 82° och en höjd på 700 km.  Illustration: Thomas Hocking.

Respondent

Thomas Hocking, doktorand i atmosfärsvetenskap
Meteorologiska institutionen (MISU) vid Stockholms universitet.

Opponent

Professor Tristan L'Equyer, University of Wisconsin-Madison, WI, USA

Titel

The Earth's energy imbalance. Potential of observation from space and the impact of clouds (DiVA publikationsdatabas]

Abstract

Jordens energiobalans beskriver skillnaden mellan inkommande och utgående strålning för Jorden som helhet. Den nuvarande positiva obalansen leder till en ansamling av energi som har en fundamental inverkan på Jordens klimat, vilket medför exempelvis ökande global medeltemperatur, stigande havsnivåer och mer vanligt förekommande extremhändelser.

Jordens energiobalans är därför en central storhet som är viktig att mäta, men det är svårt att göra det i praktiken då obalansen är liten i förhållande till den inkommande och utgående strålningen. Nuvarande satellitsystem för att mäta energiobalansen förlitar sig på överlappning i tid mellan satellitinstrument, och anpassningar med hjälp av havsobservationer. Dessa satelliter kommer att nå slutet av sin livstid inom det närmaste årtiondet, och även med de få fortsättningsprojekt som är planerade finns det risk att kontinuiteten i de långa mätserierna bryts. Nya satellitprojekt är under utveckling för att minska risken, och det är relevant att kvantifiera projektens potential och förväntade prestanda som en del av utvecklingsprocessen.

Vad gäller klimatpåverkan, så är den förväntade långsiktiga temperaturförändringen till följd av den nuvarande positiva energiobalansen begränsad till ett spann av tänkbara temperaturvärden, men det exakta värdet är inte känt. Osäkerheten i det uppskattade spannet domineras av osäkerheten i molneffekten, närmare bestämt i värdet på den totala återkopplingsparametern för moln. Nuvarande uppskattningar tyder på att molnåterkopplingsparametern är positiv, det vill säga att moln har en destabiliserande effekt och därmed leder till förstärkta temperaturförändringar.

I den här avhandlingen undersöks Jordens energiobalans och Jordens strålningsbalans ur två perspektiv: hur obalansen kan mätas från rymden med hjälp av satellitinstrument, och hur strålningsbalansen påverkas av moln.

För satellitperspektivet simulerar vi mätningar från satelliter i diverse omloppsbanor och utvärderar de resulterande uppskattningarna av energiobalansen. Valet av omloppsbana kan ha en stor inverkan på samplingen vid mätningar av den underliggande obalansen, vilket påverkar felet i den uppskattade globala obalansen. Det gäller särskilt att omloppsbanor som passerar direkt över polerna uppnår fullständig global täckning, men har systematiska urvalsfel gällande strålningens års- och dygnscykler. Detta leder till stora fel i det årliga medelvärdet om ingen korrektur tillämpas. Andra omloppsbanor kan uppnå bättre täckning av års- och dygnscyklerna, men kräver istället att uppskattningarna kompenseras för saknade data nära polerna. Sammantaget visar vi att vidvinkelinstrument och accelerometrar kan bidra med värdefulla mätningar för framtida långtidsbevakning av Jordens energiobalans, förutsatt att lämpliga satellitbanor utnyttjas.

För att undersöka hur strålningsbalansen påverkas av moln så analyserar vi molnåterkopplingen genom att göra moln transparenta i klimatmodellen MPI-ESM1.2. Trots att molnen har en destabiliserande direkt effekt, visar vi att de faktiskt har en stabiliserande nettoeffekt och därmed sänker modellens klimat känslighet. Detta beror på att molnens indirekta effekter, som att försvaga den destabiliserande albedoåterkopplingen, totalt sett är starkare än molnens direkta effekt i modellen.