KESKUSTELU

Eiväthän ne osaakaan aikasarja-analyysia, vaan käyttävät yli 40 vuotta sitten vanhentuneita menetelmiä.

Joo, mielenkiintoista.

Kysymys: Lucia käytti trend+ARIMA(p,0,q) mallia. Eikö se ole sama kuin ARIMA(p,1,q)?

Periaatteessa se on kai (?) sama kuin ARIMA(p,1,q+1), mutta noissa tulee eroa esim. parametrien sovituksessa. Lucia sovittaa ensin lineaarisen trendin ja sitten ARMA:n, joka voinee johtaa hieman mettään tai sitten ei. Uskoisin ettei ainakaan Arrioios tykkää

Periaatteessa Lucian mallia globaaliin lämpödataan on sovittu esim. (kannattaa lukea!) paperissa:.
Haslett, J. (1997) On the sample variogram and the sample autocovariance for non-stationary time series. Statistician. 46, 475- 484.

Tuon lisäksi tätä asiaa (mikä malli sopii parhaiten yms.) tahkottiin useammassakin paperissa jo lähes 20 vuotta sitten, esim.
Bloomfield, P. (1992) Trends in global temperature. Clim. Change, 21, 1-16.
Woodward, W. and Gray, H (1993) Global warming and the problem of testing for trend in time series data. J. Climate, 6, 953–962.

Näyttäisi siltä ettei 20 vuodessa "ilmastotieteilijät" ole saaneet mitään lisää noihin. Pikemminkin on tullut regressiota ja nuo vanhatkin (tilastotieteilijöiden kirjoittamat) on onnistuttu hävittämään (enemmän tai vähemmän aktiivisesti, kts. esim. Cohn & Lins -episodi) "yleisestä" tietoisuudesta (IPCC:n yms. raporteista). AInoa puhe asiasta näyttäisikin tulevan "IPCC-tieteilijöiden" ulkopuolelta. Ei tosin yllätä, kun on seurannut kotoisen IL:n tieteilijöiden toimintaa. Ehkä tässä asiassa poliittinen tarkoituksenmukaisuus ajaa tieteellisen oikeellisuuden edelle.

Laitetaan nyt muistin virkistämiseksi uudestaan kuva kaisaniemen vuosilämpötiloista.



Kuukausikohtainen data löytyy sivulta 1. Kuvassa näkyy:
- Tärkeimmät tapahtumat mittausaseman historiassa
- Helsingin asutusluvun kehittyminen
- Luonnehdinnat erilaisista jaksoista
- Mustalla 5-vuoden jakson keskiarvot taaksepäinlaskettunu, 5 vuotta aina sama arvo
- Punaisella 10-vuoden liukuva keskiarvo taaksepäin
- Violetilla 20-vuoden liukuva keskiarvo taaksepäin
- Sinisellä 30-vuoden liukuva keskiarvo taaksepäin

Kun aineistoa katsoo, niin siinä näyttäisi silmämääräisesti olevan neljä jaksoa. Ensimmäinen jakso ulottuu alusta noin 1780-luvun alkuun. Vaikka asialla ei olisi mitään tekemistä lämpötilojen kannalta, niin 1780-luvun alkupuolelta alkoi laitoksen kehittämisjakso, ja sitä ennen oli tyydytty lähinnä jatkamaan lämpötilojen ylöskirjausta, jonka periaatteen oli luonneet laitoksen perustajat.

Toinen jakso alkaa 1780-alusta jatkuen sota-aikaan, jona aikana näyttäisi olevan nouseva trendi. Laitos sai 1780-luvun alussa uuden johtajan, joka alkoi kehittämään laitosta ja lisäksi näihin aikoihin liittyy myös Celsius asteisiin siirtyminen. Samalla jaksolla myös kaupunki kasvoi pienestä kaupungista (muutama kymmenentuhatta ihmistä) suureksi 250.000 ihmisen kaupungiksi jona aikana kiinteistöt Kaisaniemen lähestystöllä nousivat nykyisiin mittoihinsa.

Kolmas jakso, jonka aikana lämpötilat näyttäisivät laskeneen, alkaa sotavuosista ja jatkuu 1980-luvulle. Silmiinpistävää tässä jaksossa on 5 vuotisjaksojen voimakas vaihtelu, jota ei näy muissa jaksoissa. Jakson alussa laitokset kärsivät pommituksista ja kuusikymmentä luvulla mittausten tekopaikkaa muuttui kahdesti.

Neljäs jakso alkaa 1980-luvun alkupuolelta ja jatkuu nykypäivään, jona aikana on ollut nouseva trendi. Tänä aikana mittauslaitteet on muutettu sähköisiksi ja laitos on automatisoitu täysin vuodesta 2001 alkaaen.

Jos koko jaksolle piirretään trendi 1,3°C/100 vuotta alkaen noin 3,6°C, niin nuo 5 vuoden lasketut keskiarvot asettuvat tämän trendin molemmin puolin siten, että trendiin nähden ei tule mitään SPC:n sääntöjen vastaista. Silmämääräisesti kyse ei kuitenkaan ole kyse suorasta trendistä, vaan siinä on oletettavasti nuo neljä eri jaksoa.

Itse pohdin kuvaa katsoessani, että siinä on varmaankin jossakin määrin UHI-efektiä, mutta luultavasti jokin osa selittyy myös mittauspaikan ja välineiden muutoksista. Minulla ei ole käsitystä, miten aikoinaan lämpömittarit on kalibroitu, mutta niiden kalibrointi ei ole aivan yksinkertaista ja helppoa pelkkien fysikaalisten ilmiöiden avulla ja koko tuolta jaksolta ei ole olemassa kansainvälisiä mittanormaaleja. Lisäksi lämpömittarien lukematarkkuus ei ole ollut historiassa mitenkään huima, vaikka nyt automaattisissa asemissa olla ±0,1 tuntumassa.

Vaikka lämpötilojen tiedetään nouseen jo vuosisatoja historiallisten lähteiden perusteella, niin pieni epälys liittyy myös mittaustekniikkaa ja välineisiin. Tässä erityisesti kiinnittyy huomio viimeisiin vuosiin, koska mittaustekniikka on muuttunut totaalisesti sähköiseksi ja automaattisesti tapahtuvaksi. Muutos on suuri lasilämpömittarista PT100 anturiin.

Nesteen laajenemiseen perustuvan lämpömittarin kalibrointi on helppoa. 0-piste saadaan jää-vesi hauteessa ja 100C-piste saadaan normaali paineessa kiehuvan veden höyrystä. Muut lämpötilat luetaan tasaväliseltä asteikolta. Asteikon teko on tietenkin äärimmäisen tarkkaa työtä.

Platinavastuksen arvo riippuu lämpötilasta R(Pt)=R(0)(1+A*t+B*t^2) (tällä saadaan yleensä riittävä tarkkuus). Vakiot ovat likimain A= 0,0039 C^-1 ja B = -0,0000058 C^-2. Riippuvuus ei ole lineaarinen, joten kalibrointipisteitä tarvitaan vähintään kolme, mieluummin kymmenkunta jotta mittausvirheitä eliminoituu. Vakiot A ja B pysyvät mittareissa melko hyvin vakioina ajan suhteen, mutta R(0) saattaa muuttua vähän. Siksi 0-piste tulee ajoittain kalibroida. Tarkka 0-piste haude muodostuu vain vedestä, jäästä ja höyrystä. Noin 500 euroa maksavan kaupallisen hauteen tislattu vesi on otettu tietyltä kohtaa Atlanttia, jotta isotooppikoostumus on oikea. Uudesta hienojakoisesta puhtaasta lumesta tehdyn hauteen tarkkuus on 0+-0,01 C. Mittari tulee tietenkin upottaa riittävän syvälle hauteeseen lämmön johtumisen tähden.

Hauteen, jonka lämpötilaa voidaan vaihdella ja joka pysyy 0,01 asteen tarkkuudella vakiona hinta on tuhansia euroja. Siten tarkka lämpötilan mittaaminen vaatii kalliita hyvin kalibroituja laitteita ja huolellista työtä. Syystä minua huvittaa ilmastotieteilijöiden globaalien kuukausikeskilämpötilojen esittäminen 0,01 asteen tarkkuudella.

Haluan nimenomaan irrottaa huhtikuut kaikesta muusta. Ne tuovat munulle elannon.

Mitä Arroios sanoo?

Kun otan Kaisaniemen havaitut kuukausittaiset (vaikkapa huhtikuu) lämpötilojen keskiarvot, niin

1: aikaväli on tunnettu ja tiedossa
2: havaintojakso on tunnettu ja tiedossa
3: havainnot ovat aikajärjestyksessä.

Mikä tässä muka mättää niin pahasti, ettei ARIMAa voi soveltaa?

Nesteen laajenemiseen perustuvan lämpömittarin kalibrointia ei yleensä nykyisin tehdä 100 °C, koska tila on epävakaa ja asteikon lukeminen on vaikeaa. Yleensä kalibrointi lämpötila valitaan alempaa esim. 80°C, jolloin asteikko on helposti luettavissa. Nykyisin tämä onnistuu, koska kalibroinnille on katkeamaton mittanormaalien ketju ja esim. 80°C haude on mahdollista aikaansaada kalibroinnin kannalta riittävän tarkasti. Sen sijaan ennen mittari jouduttiin tekemään ilmeisesti kalibroimalla mittari jäähauteessa ja kiehumispisteessä, jollon nimenomaan tuon yläpään määritteleminen ei ollut ollenkaan niin yksinkertaista kuin yleisesti uskotaan.

Kun nykyisin myydään lasisia tarkkuuslämpömittareita esim. 0,1 °C lukematarkkuudella, niin niiden tarkkuudeksi ilmoitetaan ±0,5 -1 °C. PT-antureissa vaikkapa Vaisalan käyttämissä, jotka ovat yleisiä automaattisissa sääasemissa tarkkuudeksi ilmoitetaan noin ±0,2 - 0,3°C 20°C lämpötilassa, ja kun lämpötila poikkeaa tuosta, niin epätarkkuus kasvaa.

Nykyisin ja ennenkin lämpötilat on tavattu ilmoittaa 0,1°C tarkkuudella ja esimerkiksi kesän lämpöennätyksiä arvioidessa kannattaa pitää mielessä, että lämpöisin paikka ei välttämättä ole se lämpöisin, sillä mittarien tarkkuus ei ole yhtä suuri kuin lukematarkkuus, vaan oikea lämpötila voi olla pari kolme kymmenystä puoleen tai toiseen.

Se, miksi kirjotan tästä kalibroinnista ja ylipäätänsä lämpömittareiden tarkkuudesta, johtuu osittain siitä, että keskustelua käydään tuhannesosista, vaikka mittarien tarkkuus on parhaimmillaankin kymmenyksissä ja osittain siitä, että oikeasti emme tiedä kovinkaan paljoa menneisyyden mittausmenetelmistä ja niiden mahdollisista virheistä ja tarkkuudesta.

Olen vuosia sitten jo kerräillyt itselleni tietoa kansainvälisestä standardisoinnista ja mittojen jäljetettävyydestä, mutta lämpötilan mittauksesta ja jäljitettävyydestä tietoni ovat perin hatarat ja netistäkin löytyy lähinnä yleistä historiallista tietoa. Teollisuudessa mittojen jäljitettävyys alkaa Henry Fordista, joka loi järjestelmän, jossa mikä hyvänsä osa voitiin sijoittaa mihin hyvänsä autoon, joka loi edellytykset sarjatuotannolle. Käytännössä kattavat mittajärjestelmät teollisuuteen saatiin vasta sotien jälkeen. Nykypäivänä tietenkin pidämme itsestään selvänä, että vaikkapa Kiinasta ostettu teollisuus komponentti on oikean mittainen, mutta näin ei ole oikeasti ollut kuin vasta miespolven verran, joka antaa hiukan perspektiiviä näihin lämpötilalukuihinkin.

Celsius asteikko on valittu, 0-piste on veden kolmoispiste tyhjiössä ja 100-piste veden kiehumispiste normaali paineessa. Väliset lämpötilat määritellään tasavälisellä asteikolla. Kun näin on tehty, voidaan tämän avulla löytää muita standardilämpötiloja, useimmiten puhtaitten metallien tai kemikaalien sulamispisteitä.

Puhun käytännöstä, en teoriasta. Jokainen voi kokeilla kotona, vaikkapa yleismittarin yhteydessä olevalla lämpömitttarilla, kuinka helppoa se 100°C toteaminen on. Laitaa vain kattilan levylle, ja kun se vaikuttaa kiehuvan, mittaa lämpötilan. Tulos yllättää monet. Ne, jotka ovat joutuneet tekemään sen 100 °C toteamisen, vaikkapa opintojen yhteydessä laboratorio tehtävänä, tietävät, että asia on kaikkea muuta kuin helppoa.

Niin minulle kuin muillekin on opetettu, että normaalipaineessa kiehumispiste on 100 °C. Kaiken lisäksi kiehuminen on helppo todeta silmämääräisesti, mutta kun laitat anturin tai lämpömittarin veteen, niin se ei olekaan mitenkään stabiilisesti 100 asteista. Kannattaa kokeilla vaikkapa ihan kotikonstein. Kieuhuvalta näyttävästä vedestä saa nimittäin useiden asteiden heittoja.

Vaikeus vielä lisääntyy lasilämpömittarilla. Vaikka astia olisi läpinäkyvä, alkaa vesi pyörteilemään voimakkaasti yli 80 °C lämpötiloissa. Jos mittari on kokonaan veden alla, kuten sen pitäisi olla, on asteikon lukeminen hyvin vaikeaa juuri tuon veden pyösteilyn takia.

Kyseessä on teoriassa yksinkertainen asia, mutta käytännössä vaikea tehdä tarkasti.

Tarkoitukseni on ollut pohtia sitä, että kun nykyisillä teollisilla menetelmillä tarkkuus lasilämpömittarin tarkkuus on ±0,5 -1°C, niin millaiset olivat tarkkudeltaan ja virherajoiltaan ne lämpömittarit, joita esimerkiksi käytettiin Kaisaniemessä historiassa. Mittaajat ja mittarien tekijät olivat ainakin alussa tiedemiehiä ja periaatteessa tiesivät hyvin, mitä olivat tekemässä, mutta heidän välineensä ja mahdollisuudet verrata omia mittareitaan toisten mittareihin olivat pienet ja mahdolliset kalibroinnit jouduttiin tekemään ilman jäljetettävyyttä, jos niitä ylipäätänsä tehtiin.

Helsingin yliopiston vanhimmat mittapalasarjat ovat jostakin 1800-luvun puolenvälin paikkeilta, joten mittaamiseen ja sen tarkkuuteen kyllä kiinnitettiin huomiota, mutta lämpömittareiden osalta oltiin varmaankin oman osaamisen varassa. Olen tässä arvelun varassa ja olisi mielenkiintoista, jos esim. Kaisaniemessä käytetyistä instrumenteista olisi ajallisesti kattava kuvaus siten, että kävisi ilmi, milloin mittareita on vaihdettu tai kalibroitu ja milloin mittauspaikka tai sen läheinen ympäristö on jotenkin muuttunut. Kaikki tämä tieto rinnakkain vuosikeskilämpötilojen kanssa voisi olla melkoisen informatiivista.

Terawatille tiedoksi:

Meteorologiseen käyttön tarkoitetut lämpömittarit elohopea/alkoholi-mittareiden aikakautena 1800-luvulta 1980-luvulle kalibroitiin Kaisaniemen observatorion standardilämpömittarilla vertailemalla mittareita eri lämpötiloissa. Standardimittarin tarkkuutta puolestaan verrattiin naapurimaiden vastaavien referenssien kanssa. Vertailuja tehtiin säännöllisesti Tukholmassa ja Pietarissa, joskus myös Berliinissä, Pariisissa ja Lontoossa, joten aika hyvin oli tiedossa mittarien virhelukemat. Erot standardimittariin ovat olleet alle ±0.1 °C.

Nykyiset Pt-mittarit kalibroidaan säännöllisesti huoltotöiden yhteydessä kuudessa eri lämpötilassa.

Lämpömittarin näyttämävirhe ei ole siis merkittävä virhelähde. Ennen lopullisia lämpötilatuloksia niihin tehtiin tarvittavat mittarikorjaukset, joten painetut lämpötilatiedot sisältävät nämä korjaukset. Suurempia lukemavirheitä on tullut siitä, että lämpömittarin säteilysuojaus ei ole aina ollut riittävä. Havainnot tehtiin Kaisaniemessä siksi useasta mittarista.

Vuorokausikeskiarvoihin on tullut pieniä eroja riippuen siitä kuinka monta mittausta on päivittäin tehty. Kuukausi- ja vuosikeskiarvoihin nämä korjaukset on tehty jälkikäteen, joten julkaistuissa lukemissa on nämä korjaustekijät jo huomioitu ja aikasarjat näiltä osin ovat mahdollisimman homogeenisiä.

Lämpömittaria ei missään nimessä tule asettaa veteen vaan höyryyn. Helppo testata stabiiliutta pitämällä mittaria kahvipannun nokan keskellä ja sisällä.
Sama juttu, nolla pistettä tuskin saa 0,1 asteen tarkkuudella, jos hauteessa on jäähileitä. Myös silloin on virtauksia ja kiteiden särkymistä, josta seuraa lämpötilamuutoksia.

Kiitoksia paljon! Tällaista tietoa on kenties jossakin lähteessä, joka kuitenkaan ei ole osunut silmiini. Kaisaniemen mittasarja on kuitenkin monessa mielessä kansallisesti arvokas, jolloin soisi, että mittasarja olisi kuvattu niin lukuineen kuin menetelmämuutoksineen mahdollisimman hyvin, vaikka emme epäilisi mitenkään mittasarjan lukemia. Tässä voisi olla hyvä opinnäytteen aihe.

Tässä kertomuksessasi minulle uutta on, että elohopea/alkoholi mittareista luovuttiin 1980-luvulla. Tarkka vuosikin kiinnostaisi, jos sellainen on tiedossa. Tuosta kalibroinnista sen verran, että ennen nykyisiä kalibrointi menetelmiä, on varmaankin toimittu kuvaamallasi tavalla, mutta epäilen, että Kaisaniemen alkuajoilta löytyy myös jaksot, jolloin kalibrointi on tehty omatoimisesti ilman vertailumittareita. Kalibrointikorjaukset on varmaan viety dataan, sitä en epäile, sillä muutenhan kalibroinnissa ei olisi mitään järkeä.

En välitäisi jankuttaa, mutta omat kokemukseni pitkistä mittasarjoista ovat sellaisia, että aineistot eivät yleensä ole suoraan vertailukelpoisia, kun menetelmät tai mittaajat ovat muuttuneet. Tämä on syy miksi katson tätä Kaisaniemen sarjaakin melko kriittisesti.

https://helda.helsinki.fi/bitstream/han ... sequence=1 dokumentti kertoo ilmatieteen laitoksen henkilöhistoriasta. Tässä kiinnittää huomion se, että Nevanderin kauden jälkeen alkoi pysähtyneisyyden aika, joka päättyi 1880-luvun alkuun, jolloin Boreniuksen jälkeen laitoksen johtajaksi tuli Nordenskiöld. Oli sitten sattumaa tai ei, niin 1880-luvun alku on kulminaatiopiste, jonka jälkeen vuosien keskilämpötilat lähtivät nousuun, joka jatkui aina 1930-luvulla asti. Ajanjakson alkuun liittyy ilmeisesti myös Celsius asteikkoon siirtyminen ja jakson aikana Helsinki kasvoi voimakkaasti (UHI-vaikutus).

1930-luvun lopulta aina 1980-luvulle asti on jakso, jossa tapahtui paljon muutoksia. Tuossa ilmatieteenlaitoksien historia dokumentissa on esimerkiksi kuva vuodelta 1920, josta näkyy, että Kaisaniemen säteilysuojat eivät olleet silloin valkoisia, mutta esimerkiksi 1970-luvun valokuvissa ne ovat jo selkeästi valkoisia. Ilmeisesti viittaat tähän, ja olisi mielenkiintoista tietää, milloin niitä alettiin maalaamaan valkoisiksi. Muita muutoksia ovat pienet sijaintipaikan muutokset. 30-80-lukujen välisellä jaksolla on myös selkeästi suurempaa vaihtelua, kuin aiemmin ja myöhemmin, joka panee epälemään, että jokin muukin vaihteli kuin sää ja ilmasto.

Tämä viimeinen jakso 80-luvulta alkaen on sitten kertomasi mukaan sähköisen mittauksen kautta, joka näyttäisi myös muodostavan kulminaatiopisteen. Kyse on joko puhtaasta sattumasta, menetelmämuutoksesta tai todellisesta lämpenemisestä.

Lisäsin tuohon alla olevaan kuvaan tuon sähköiseen mittaukseen liittyvän ajankohdan. Uskoisin, että näitä esille ottamiani näkökohtia on varmasti mietitty myös ilmatieteen laitoksella. Osa niistä varmaankin on vaikuttanut jotenkin lukuihin, mutta ratkaisuna parempi on se, että luvut näytetään sellaiseen, kuten on käsittääkseni toimittu. Kuitenkin lukuja katselevan olisi hyvä tietää, myös merkittävät menetelmien muutoskohdat ja ne kannattaisi dokumentoida melko tarkasti.

TW: "Tässä kertomuksessasi minulle uutta on, että elohopea/alkoholi mittareista luovuttiin 1980-luvulla. Tarkka vuosikin kiinnostaisi, jos sellainen on tiedossa. "

Tämä ilmaus ei ole aivan tarkka sillä aina kun mittausmenetelmiä on vaihdettu on uutta ja vanhaa systeemiä ajettu samanaikaisesti, jotta saadaan selville mahdolliset systemaattiset erot. Kaisaniemen asemalla on ollut kokeilussa erilaisia uudemman sukupolven lämpömittareita ja automaattilaitteita, mutta samanaikaisesti jatkettiin manuaalihavaintoja entiseen tapaan. Manuaaliset havainnot Kaisaniemessä päättyivät v. 2008.

TW: "epäilen, että Kaisaniemen alkuajoilta löytyy myös jaksot, jolloin kalibrointi on tehty omatoimisesti ilman vertailumittareita."

Kuvaus 1900-luvun alun lämpötilamittauksista löytyy tällaisesta hieman eksoottisesta väitöskirjajulkaisusta: O.V. Johansson (1906): Über die Bestimmung der Lufttemperatrur am meteorologischen Observatorium in Helsingfors. Eine kritische Studie. Se on Ilmatieteen laitoksen meteor.vuosikirja v. 1901. Löytyy HY:n Kumpulan kampuskirjastosta Helka-haun mukaan. Siitä vaan saksankieltä verestämään.

Uudempaa tietoa on täällä: Heino (1994). Climate in Finland during the period of meteorological observations. Finn. Met. Inst. Contributions No.12

TW:"Tässä kiinnittää huomion se, että Nevanderin kauden jälkeen alkoi pysähtyneisyyden aika, joka päättyi 1880-luvun alkuun, jolloin Boreniuksen jälkeen laitoksen johtajaksi tuli Nordenskiöld."

Tässä "pysähtyneisyyden" ajassa kyllä pedanttisen tarkasti tehtiin kaikki observatoriotoimintaan kuuluvia lukuisia mittauksia entiseen tapaan, mutta innovatiivistä aktiviteettiä ei juuri ollut

TW: "Oli sitten sattumaa tai ei, niin 1880-luvun alku on kulminaatiopiste, jonka jälkeen vuosien keskilämpötilat lähtivät nousuun, joka jatkui aina 1930-luvulla asti. "

Tässä kannattaa verrata Helsingin havaintosarjaa muihin eurooppalaisiin sarjoihin niin huomaa, että lämpötilat lähtivät selkeään nousuun muuallakin samoihin aikoihin. Asiaa voi tutkia mm. täältä: Luterbacher et al., 2004. European seasonal and annual temperature variability, trends and extremes since 1500. Science, 303, 1499-1502.