Original paper
On the use of statistical analysis for the objective determination of climate change
[Über den Einsatz von statistischen Methoden zum objektiven Nachweis von Klimaschwankungen]
Sneyers, R.
Meteorologische Zeitschrift Vol. 1 No. 5 (1992), p. 247 - 256
52 references
published: Nov 5, 1992
published online: Aug 2, 2018
Open Access (paper may be downloaded free of charge)
Abstract
In this paper a simple but objective statistical method is developed in order to determine the characteristics of the structure of a time series in the case of internal instability. Due to the random character, at least at the monthly scale, of the climatological series of observations, the method consists in testing the randomness of the series (stability of the statistical distribution and independence of its elements) against trend and serial correlation. Moreover, the trend analysis, performed in a progressive onward and backward way, enables to detect eventual anomalies inside the series. The description of the method is followed by a critical review of the usual methods applied to climatological records for the same purpose. Moreover, its application to some local, mesoscale and global climatological series reveals that, at least at the seasonal scale, as well for temperature as for rainfall series, perturbations occurred in the form of abrupt changes characterized by changepoints separating the different sequences of the total series into stable random subseries with different statistical properties (mean and eventual variance). Conclusions suggest that the present impossibility of detecting the enhanced CO2 "greenhouse effect" in the series of observations may result as well from the weaknesses involved in the theoretical prediction models as in the absence of consideration of the actual statistical properties of the climatological series of observation.
Kurzfassung
Es wird eine einfache objektive statistische Methode vorgestellt, die es erlaubt, charakteristische Strukturen in Zeitreihen mit Instabilitäten nachzuweisen. Wegen des Zufallscharakters von klimatologischen Zeitreihen, was zumindest für die Reihen der Monatsmittel zutrifft, basiert die Methode auf dem Test des Zufallscharakters der Zeitreihe (Stabilität der Verteilungsfunktion und Unabhängigkeit der einzelnen Elemente der Zeitreihe) gegen einen Trend in der Zeitreihe. Darüber hinaus erlaubt diese Art der Untersuchung, die sowohl zeitlich rückwärts als auch vorwärts durchgeführt wird, die Aufdeckung von eventuell vorhandenen Anomalitäten in den Reihen. Der Beschreibung der hier angewandten Methode folgt eine kritische Betrachtung der bisher üblichen Methoden, die zu diesem Zweck eingesetzt wurden. Eine Anwendung der hier vorgestellten Methode auf lokale, regionale und globale Zeitreihen zeigt, daß zumindest hinsichtlich der jahreszeitlichen Betrachtungsweise für Temperatur- und Niederschlagsreihen, Störungen sich in der Form von plötzlichen Änderungen nachweisen lassen. Diese Störungen trennen Abschnitte in den Zeitreihen, die davor und danach jeweils Zufallsreihen mit stabilen statistischen Kenngrößen aufweisen. Die Ergebnisse lassen vermuten, daß die gegenwärtige Schwierigkeit, den Treibhauseffekt in Beobachtungen nachzuweisen, neben den Unsicherheiten in den Ergebnissen der globalen Zirkulationsmodelle auch in der nicht richtigen Analyse der statistischen Eigenschaften der beobachteten Klimazeitreihen liegen kann.
Keywords
climatological series • rainfall series • greenhouse effect • klimatologische Reihen • Niederschlagsreihen • Treibhauseffekt