Udnyttelse af kaos kan hjælpe klimamodellering med at tage springet fremad

At forstå klimaets kaotiske variation og dets reaktion på klimaændringer kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forudsige ændringer, der stadig undslipper selv de mest sofistikerede modeller.

En matematisk ramme foreslået i tidsskriftet Anmeldelser af moderne fysik har til formål at integrere samspillet mellem den normale klimavariabilitet, på grund af utallige processer, der konstant forekommer på jordens jord, oceaner, og atmosfære, og menneskeskabte og naturlige påvirkninger - noget der stadig er utilfredsstillende behandlet i de nuværende klimaforudsigelser.

Dette kunne muliggøre mere præcise forudsigelser af de mest ekstreme virkninger af menneskeskabte drivhusgasemissioner og naturbegivenheder, såsom vendepunkter forbundet med smeltning af havis eller irreversible temperaturændringer.

Undersøgelsen blev ledet af professor Valerio Lucarini ved University of Reading og kollega professor Michael Ghil fra Ecole Normale Supérieure i Paris, Frankrig, og University of California i USA, og er blevet støttet via EU's Horizon 2020 klimavidenskabelige projekt TiPES (Tipping Points in the Earth System). TiPES koordineres og ledes af Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, Danmark.

Jorden ændrer sig med en hidtil uset hastighed, men der er stadig stor usikkerhed om konsekvenserne. Stadig mere detaljeret, fysik-baserede modeller forbedres støt, men en dybdegående forståelse af de vedvarende usikkerheder mangler stadig.

Den nye ramme foreslår en vej til at overvinde de to hovedudfordringer i at øge denne forståelse:at opnå den nødvendige mængde detaljer i modeller, og præcist at forudsige, hvordan menneskeskabt kuldioxid forstyrrer klimaets iboende, naturlig variation.

"Vi foreslår ideer til at udføre meget mere effektive klimasimuleringer end den traditionelle tilgang med udelukkende at stole på større og større modeller, "sagde professor Valerio Lucarini, fra Institut for Matematik og Statistik ved University of Reading, og CEN Meteorologisk Institut ved Universitetet i Hamborg, Tyskland.

"Vi viser, hvordan man kan udtrække meget mere information med meget højere forudsigelsesevne fra disse modeller. Vi synes, det er en værdifuld, original og meget mere effektiv måde end mange ting, der bliver gjort."

Modelfejl

Forfatterne hævder, at der er et presserende behov for en ny tilgang, fordi de nuværende klimamodeller generelt ikke udfører to vigtige opgaver.

Først, de kan ikke reducere usikkerheden ved bestemmelse af den globale middeltemperatur ved overfladen efter en fordobling af kuldioxid i atmosfæren. Dette tal kaldes ligevægtsklimafølsomhed, og i 1979 blev det beregnet til 1,5-4 grader Celsius. Siden er usikkerheden vokset. I dag er det 1,5-6 grader på trods af årtiers forbedringer af numeriske modeller og enorme gevinster i beregningskraft i samme periode.

Sekund, klimamodeller kæmper med at forudsige vendepunkter, som opstår, når et delsystem, dvs. en havstrøm, en indlandsis, et landskab eller et økosystem skifter pludselig og uigenkaldeligt fra en tilstand til en anden.

Denne slags begivenheder er veldokumenterede i historiske optegnelser og udgør en stor trussel mod moderne samfund. Stadig, de forudsiges ikke med tilstrækkelig nøjagtighed af de avancerede klimamodeller, som IPCC-vurderingerne er afhængige af.

Disse vanskeligheder er begrundet i det faktum, at matematisk metode anvendt i de fleste højopløselige klimaberegninger ikke reproducerer godt deterministisk kaotisk adfærd eller de tilknyttede usikkerheder i nærvær af tidsafhængige deterministiske og stokastiske forceringer.

En kaotisk verden

Kaotisk adfærd er iboende for Jordsystemet som meget forskellig fysisk, kemisk, geologiske og biologiske processer som skydannelse, sedimentation, forvitring, havstrømme, vindmønstre, fugtighed, fotosyntese osv. varierer i tidsskalaer fra mikrosekunder til millioner af år. Bortset fra det, systemet er primært tvunget af solstråling, som varierer naturligt over tid, men også ved menneskeskabte ændringer i atmosfæren. Dermed, Jordsystemet er meget komplekst, deterministisk kaotisk, stokastisk forstyrret og aldrig i ligevægt.

Professor Ghil sagde:"Det, vi gør, er i det væsentlige at udvide deterministisk kaos til en meget mere generel matematisk ramme, som giver værktøjerne til at bestemme klimasystemets reaktion på alle mulige påtrængninger, deterministisk såvel som stokastisk."

De grundlæggende ideer til den foreslåede tilgang er ikke helt nye, som den matematiske teori blev udviklet for årtier siden. Imidlertid, artiklens fortjeneste er at gøre teorien tilgængelig og anvendelig til klimaforskning og at give brugbare værktøjer til at forbedre og teste klimamodeller. Sådanne tværfaglige tilgange, der involverer det klimavidenskabelige samfund samt eksperter i anvendt matematik, teoretisk fysik og dynamisk systemteori er dukket op for langsomt indtil nu.

Forfatterne håber, at gennemgangspapiret vil fremskynde denne tendens, da det beskriver de matematiske værktøjer, der er nødvendige for et sådant arbejde.

Professor Lucarini sagde:"Vi præsenterer en selvkonsistent forståelse af klimaændringer og klimavariabilitet i en veldefineret sammenhængende ramme. Jeg tror, ​​det er et vigtigt skridt i løsningen af ​​problemet, fordi du først og fremmest skal posere den korrekt. Så tanken er, hvis vi bruger de konceptuelle værktøjer, vi diskuterer meget i vores papir, Vi håber måske at hjælpe klimavidenskab og klimamodellering med at tage et spring fremad."

Den nye anmeldelse følger tæt på et andet papir fra tidsskriftet Ikke-linearitet .

Dette papir så på at bruge kompleks matematik til at forbedre forståelsen af ​​vippepunkter i jordsystemet gennem begrebet Melancholi-tilstande, og bedre forudsige ændringer af systemer, der radikalt kan ændre deres tilstand. Disse omfatter økologiske, biologisk, sociale og andre systemer.