Integration af land-atmosfære interaktioner i klimaforudsigende modeller

Ian N. Williams er forsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), hvor han er hovedforsker i et program kaldet Land-Atmosphere Coupling and Convection in the Water Cycle.

Mere bredt, hans forskning involverer mange tråde inden for atmosfærisk videnskabs verden. Blandt førsteforfatterpublikationer af Williams findes undersøgelser af solstråling og vinterhvede, polar vortex begivenheder, og tropisk konvektion og skyer - en tilbagevendende interesse siden han afsluttede sin afhandling om dette emne ved University of Chicago (Ph.D., 2012).

På det sidste, imidlertid, Williams bruger meget af sin tid på land-atmosfære-interaktionsprojektet, som er sponsoreret af Atmospheric System Research (ASR), et program fra det amerikanske energiministerium. (På LBNL -webstedet, hans ASR-projekt er kombineret med et andet om strålingskraft.)

Land-atmosfære-interaktioner blev tidligere ledet af seniorforsker Margaret Torn, med hvem Williams og syv andre forskere arbejder i Torn's Biosphere-Atmosphere-programdomæne. Det er en arm af LBNL's Climate and Ecosystem Sciences Division. Ud over ASR-forskning, den berører klimamodellering og terrestrisk økosystemvidenskab.

Blandt andre sysler, Williams og hans projektteam arbejder på måder at forbedre forudsigelige jordsystemmodeller ved at skærpe repræsentationer af den måde, jordprocesser på (herunder kulstof, vand, og energicyklusser) link til skyer, stråling og nedbør.

"Landets overflader har indflydelse på klimaet, som vi er nødt til at rette op på, " han siger.

Bladarealindeks

Delvis, at få disse påvirkninger rigtigt kræver at komme i ukrudtet - bogstaveligt talt. Det er, forståelse af vegetationens rolle i interaktioner mellem land og atmosfære-eller mere generelt, dens rolle i vandets kredsløb.

Tidligere, man troede, at jordfugtighed var den vigtigste drivkraft for variationer i fordampningsfraktion, et forhold, der måler, hvordan energi "opdeles" over landoverflader mellem latent og fornuftig varme. Det kan bruges til at udlede daglig energibalance, en vigtig parameter i klimamodeller.

Williams holdt engang en tale med titlen "Sætte landet tilbage i interaktioner mellem land og atmosfære, "pointen er, han siger, "at uden at tage vegetation i betragtning, kommer du ikke rigtig ind på interaktionerne."

I et papir fra 2015, som Williams kalder "grundlæggende, " han og Torn argumenterer for en ny metrik, der hovedsageligt drejer sig om bladarealindekset (LAI) og optagelsen af ​​kuldioxid i stedet for jordfugtighed som en korrelat til den fordampende fraktion.

LAI bruges til at kvantificere plantekroner. Det er også nyttigt til at forudsige evapotranspiration, som påvirker energibalancen på jordens overflade.

"Vi besøgte igen, hvad der styrer overfladevarmeflux, " sagde Williams fra avisen, og fandt "at det påvirkes af flere ting end jordfugtighed, " inklusive transpiration og fotosyntese.

Williams var også hovedforfatter på et opfølgningspapir fra 2016 med Torn og andre. De testede LAI-ideen i en version af National Center for Atmospheric Research's Community Earth System Model og viste, at bedre repræsenterende vegetation forbedrede modellens forudsigelige skarphed med hensyn til temperatur og nedbør.

Forbedringer i jordoverflademodeller, de konkluderede, kan forbedre forudsigelsen af ​​klimaekstremer.

"Modeller er for stramt begrænset af jordfugtighed" alene, siger Williams, "som har indflydelse på klimaforudsigelser."

For en, han siger, hvis fordampningen af ​​fugt fra overfladen er "fejlagtigt lav, som kan føre til forudsigelsesbias, (inklusive) temperaturer, der er for varme."

Det næste relaterede Williams-Torn-papir, nu til revision, ser mere specifikt på virkningerne af denne nye modelordning på forudsigelser af konvektive skyer og nedbør på sæsonbetonede skalaer.

Fortolkning af kulstofstrømme

Williams gik stadig på ph.d.-skolen, da han var over to somre (2006 og 2009), han arbejdede hos LBNL som forskningsassistent. Torn var der, sammen med to andre videnskabsmænd, der ville være fremtidige medforfattere:terrestriske økosystemekspert William Riley og Sebastien Biraud, hvis speciale er at observere og måle atmosfæriske sporgasser.

"Det var der, jeg virkelig lærte om kulstofkredsløbet og om at sætte fotosyntese i jordsystemmodeller, " siger han. "Jeg var heldig at få den eksponering tidligt."

Williams vendte tilbage som postdoktor (2012-2016) efter sin ph.d. arbejde med tropisk konvektion. Men han havde noget andet med sig fra Department of Geophysical Sciences ved University of Chicago:en påskønnelse for tværfagligt arbejde.

Hans afhandlingsrådgiver, Raymond Pierrehumbert, nu professor i fysik ved University of Oxford, "lærte mig vigtigheden af ​​at tænke på klima som et koblet system, " siger Williams, "og hvor forkert kan du være, hvis du ikke tager en systemtilgang og i stedet ser på en komponent isolation. Det er dette systemperspektiv, der giver tværfagligt arbejde sin betydning for mig."

Mens Williams tog den lektion som ph.d. studerende, han dyrkede også en interesse for problemer inden for geologi og paleoklima.

"Du kan ikke adskille geologi fra biologi på disse tidsskalaer, " han siger, "og det var altid i mit sind der - vigtigheden af ​​biologi."

Land-overflade modeller, På ny

Den brede intellektuelle erfaring under ph.d. undersøgelser satte Williams meget godt op - ikke kun for de problemer, han blev introduceret til på LBNL (fortolkning af sporgasser og kulstofstrømme) - men også for en overgang til det, han kalder "den tredje generation af land-overflademodeller."

Denne overgang begyndte omkring 2005, siger Williams. "Det var første gang planter var blevet inkluderet i klimamodeller på en mekanistisk måde, tage højde for koblede kulstof- og vandkredsløb, "takket være Joseph Berrys banebrydende arbejde, en ekspert i biosfære-atmosfære interaktioner nu på Carnegie Institution for Science. (Williams interagerede med ham under hans første sommer i Torns laboratorium i 2005.)

Selv i dag, tilføjer han, "Denne slags modeller er ret nye. Vi har ikke undersøgt alle usikkerheder og konsekvenser for klimaet."

Stadig, det er umuligt at adskille klimaet fra kulstofcyklussen på dekadale skalaer.

"Det er et nødvendigt perspektiv, " siger Williams - en anerkendelse, For en, at skove med tiden kan kollapse til græsarealer, "hvilket ville have en førsteordens effekt på vandets kredsløb. Atmosfæriske modeller, vi udvikler, skal være robuste over for disse ændringer. Vi kan ikke bare tune modellerne til nutidens landoverflade."

Det er vigtigt arbejde.

"Den enkle kendsgerning er, at klimaet påvirkes af landoverfladen på grund af vandstrøm og energi ved grænsefladen mellem land og atmosfære, " siger Williams - i et samspil mellem jordfugtighed, plantetyper, og højden af ​​plantekronen, som kan være tommer til hundredvis af fod.

Alle disse interaktioner er også en del af parameteriseringsproblemet med konvektiv sky.

"Konvektion er resultatet af en sekvens, en kæde af processer, "siger han." Det er vigtigt at få hvert led i denne kæde rigtigt. "

Ser på vejret

Omkring det tidspunkt, han startede i gymnasiet, Williams og hans familie flyttede fra forstaden Philadelphia (hvor han oplevede den episke snestorm i 1993) til forstaden Kansas City, Kansas, "hvor kun et par måneder efter vi ankom der, tornadosirenerne gik. Vejret var virkelig anderledes."

Da den første stormcelle gik over hans by, Williams søgte ly i et kælderrum, hvor han så dramaet udspille sig på et gammelt sort-hvidt tv. "Jeg kan stadig huske, hvordan radarekkoet så ud, " han siger.

Folk i Kansas kender vejret, bekymre sig om det, pas på det, og kender sproget, han siger. "Jetfly på lavt niveau, konvektive systemer. Folk er ret vidende."

Snart var Williams det også. I en alder af 15 sporede han National Weather Service-data og læste online tekniske prognosediskussioner og søgte gennem lærebøger til søgetermer, han ikke kendte.

Ved sit andet år, Williams downloadede numeriske vejrdata, scanning af sæsonbestemte vejrudsigter, og undersøger, i et El Niño -år, virkningerne af havoverfladetemperaturer på klimaet.

"Jeg blev mere generelt interesseret i videnskab gennem min interesse for atmosfærisk videnskab, " siger han om sine gymnasieår. "Derefter, Jeg tog fysikken mere alvorligt. Jeg tog matematik mere alvorligt. "

Williams, en pianist, startede på college ved University of Kansas for at studere musik. Men senere, tiltrukket af at studere atmosfærisk videnskab, han overførte til Cornell University (B.S. 2005, FRK. 2007).

"Lidenskaben for at forstå vejret og klimaet var bare noget, jeg blev ved med at vende tilbage til, " han siger.

'Omfavne kompleksiteten'

På University of Chicago, Williams dækkede meget jord - og hav - i sin doktorgradsforskning. Han så på to emner:den skystrålingseffekt af konvektive skyer i troperne ("en enorm bekymring for klimaprojektion, " siger han) og koblingen mellem havoverfladen og Jordens energibalance.

I dag på LBNL, den nærmeste fremtid indebærer "at omfavne kompleksiteten, " siger Williams. Det inkluderer at kombinere observationsdata med atmosfæriske modeller i høj opløsning, der er koblet til landoverflademodeller - alt sammen for at undersøge interaktionen med skyer "på en eksperimentel måde, " han siger.

Er der liv for ham uden for videnskaben?

Sommetider, siger Williams. Han nyder at tage på dagsture med sin kone og - på det seneste - at læse om andre videnskabsmænd, herunder nobelpristageren Ernest O. Lawrence, grundlæggeren af ​​LBNL.

En bog lancerede, hvad han kalder "mit nuværende læseprogram":historien fra 2007 om dendrokronolog Edmund Schulman, der udviklede klimaoptegnelser fra gamle bristlecone fyrretræer. (Nogle er langt over 4, 000 år gammel.)

Hans seneste indtog på tryk var "The Brothers Vonnegut:Science and Fiction in the House of Magic, "en dobbelt biografi om skyforskeren Bernard Vonnegut og romanforfatteren Kurt Vonnegut Jr.

"Det er interessant, læse deres historier, "siger Williams om medforskere." Noget af det kan jeg relatere til - vanskelighederne ved en videnskabskarriere og hvordan de fandt vej. "