Temporal variations of trends in the Central England Temperature series

Abstract

Variations in trend rates of annual values of the Central England Temperature series (CET) over the period1659-2017 were analysed using moving windows of different length, to identify the minimum period in which the trend expresses a climate signal not hidden by the noise produced by natural variability. Trend rates exhibit high variability and irregular shifting from positive to negative values unless very long window lengths (of 100 years or more) are used. In general, as the duration of the length of the temporal window analysed increases, the absolute range of the trend rates decreases and the signal-to-noise (S/N) ratio increases. The relationship between the S/N ratio and the window length also depended on the total length of the series, so high S/N values are achieved faster when shorter time series are considered. This prevents suggesting a minimum window length for undertaking trend analyses. A comparison between CET and the average continental series in the Berkeley Earth Surface Temperature (BEST) database in their common period (1753-2017) repeats the patterns described for 1659-2017, although the average values of the rates, ranges and the "threshold period" in years change, and are more variable in CET than in BEST. Analysis of both series suggests that the recent warming started early and can be linked to the recovery of temperatures after the Little Ice Age. This process has characterised by progressively increasing trend rates, but also includes periods of deceleration or even negative trends spanning less than 50 years. The behaviour of the two long-term temperature records analysed agrees with a long-term persistence (LTP) process. We estimated the Hurst exponent of the CET series to be around 0.72 and 0.8, which reinforces the LTP hypothesis. This implies that the currently widespread statistical framework assuming a stationary, short-memory process in which departures from the norm can be easily assessed by monotonic trend analysis should not be accepted for long climatic series. In brief, relevant questions relative to the recent evolution of temperatures such as the distinction between natural variability and departures from stationarity; attribution of the causes of variability at different time scales; determination of the shortest window length to detect a trend; and other similar ones have still not been answered and may require adoption of an alternative analytical framework.Hemos analizado las variaciones de la tasa de la tendencia de las temperaturas medias anuales de la serie conocida como Central England Temperature (CET) durante el periodo 1659-2017, con el objetivo de identificar el periodo mínimo en el que la tendencia exprese una señal climática no oscurecida por el ruido originado por la variabilidad natural. Las tasas de tendencia exhiben una gran variabilidad e irregularidad cambiando de signo positivo a negativo excepto en ventanas temporales prolongadas de más de cien años. En general, a medida que la duración de la ventana temporal aumenta el rango absoluto de las tendencias decrece y la ratio Señal/Ruido (S/N) aumenta. La relación entre la ratio S/N y la longitud de la ventana depende también de la longitud total de la serie, de manera que se logran valores más elevados de S/N cuando la serie complete es más corta. Estos resultados sugieren evitar periodos cortos de tiempo para estimar o validar una tendencia. La comparación de CET y la serie de promedios de temperatura anual continental europea de la base de datos Berkeley Earth Surface Temperature (BEST) en su periodo común (1753-2017) repite los patrones de comportamiento descritos en el periodo 1659-2017, si bien los promedios de las tasas, el rango de las mismas y el periodo umbral en años cambia, siendo más variables en CET que en BEST. El análisis de las dos series sugiere que el aumento de las temperaturas comenzó hace tiempo y puede asociarse a la recuperación de las mismas tras la pequeña edad de hielo (LIA). Este proceso se ha caracterizado por un aumento progresivo de las tendencias incluyendo periodos de desaceleración o incluso tasas negativas en ventanas temporales de menos de 50 años. El comportamiento de ambas series concuerda con los procesos denominados de larga persistencia (long-term persistence, LTP); el exponente de Hurst de la serie CET calculado oscila entre 0.72 y 0.8, lo que refuerza dicha hipótesis, e implica que las asunciones tradicionales (series estacionarias con escasa memoria), en las que las variaciones puedan ser estudiadas por medio de tendencias monotónicas, no deberían aceptarse en el caso de series climáticas de gran longitud. En resumen, numerosas preguntas relativas a la reciente evolución de las temperaturas, como la distinción entre variabilidad natural de la tendencia climática, la atribución de las causas de la variabilidad en diferentes escalas temporales, la determinación del periodo mínimo de tiempo para detector una tendencia, y otras similares, no han sido plenamente contestadas y podrían requerir la adopción de nuevos enfoques y planteamientos