Opbygning af den ultimative rekord af havet

Før fremkomsten af ​​moderne observations- og modelleringsteknikker, at forstå, hvordan havet opførte sig, krævede at sammensætte forskellige data – ofte adskilt af årtier i tid – fra en håndfuld kilder rundt om i verden. I 1980'erne, det begyndte at ændre sig, da teknologiske fremskridt, såsom satellitter, flyder, driftere, og kemiske sporstoffer, gjort kontinuerlig, mulige massemålinger.

Stadig, de resulterende nye datasæt eksisterede ofte uafhængigt af hinanden, skjuler det store billede af, hvordan havet cirkulerer, overfører varme, påvirker klimaet, lagrer kulstof, og mere. Det er derfor, Carl Wunsch, professor emeritus i fysisk oceanografi i MIT's Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS) og medlem af EAPS Program in Atmospheres, Oceans and Climate (PAOC), begyndte at stå i spidsen for en bestræbelse på at afsløre det store billede for næsten 20 år siden.

Efter at have fulgt World Ocean Circulation Experiment (WOCE), Wunsch grundlagde et konsortium, der forsøgte at kombinere globale havdatasæt med state-of-the-art cirkulationsmodeller. Kun med denne kombination af observation og teori kunne videnskabsmænd fuldt ud forstå havets fysiske og dynamiske tilstand, og dermed dens rolle i klimaet, Wunsh skrev til bladet Oceanografi i 2009. Konsortiet, som kom til at hedde Estimating the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO), var et stort foretagende, herunder et internationalt netværk af forskere og statslige organer til at udveksle og analysere milliarder af havobservationer taget fra alle verdenshjørner.

"Det var som at bygge et stort teleskop, " siger Wunsh. "Det er, hvad ECCO har været."

I dag, ECCO er i vid udstrækning bebudet som den grundlæggende ramme for forståelsen af ​​hele havets adfærd i de kommende årtier. Sidste måned, Wunsch og hans samarbejdspartnere offentliggjorde en slags fremskridtsrapport om ECCOs indsats i The Bulletin fra American Meteorological Society , hvor de beskriver den bedste registrering af havcirkulation til dato:et 20-årigt gennemsnit af havklima og cirkulation, kaldet klimatologi, der adlyder væskelovene og inkluderer alle de data, der er indsamlet om havet fra hele verden siden 1992.

I artiklen, "En dynamisk konsistent, Multivariabel havklimatologi, "Forfatterne skitserer de seneste opdateringer til ECCO og forklarer den dybe mængde information, der gør det muligt, herunder observationer fra alle de altimetriske satellitter, der har fløjet siden 1992; temperatur- og saltholdighedsdata fra dybdesensorer, forbrugsbadytermografer, og Argo-profiler; og - måske mest fascinerende - data indsamlet via sensorer på dybtdykkende elefantsæler.

Med en enorm mængde data - adskillige milliarder observationer - skriver Wunsch og hans samarbejdspartnere, at problemet hurtigt blev, hvordan man kombinerede de massive datasæt og tilpassede dem til en model, der ville repræsentere et tredimensionelt tidsudviklende hav over årtier. Tilfældigvis, under ECCOs opstart, en parallel indsats på MIT var i gang, ledet af EAPS Cecil og Ida Green professor i oceanografi John Marshall, at udvikle en ny oceangenerel cirkulationsmodel, kaldet MIT General Circulation Model, som Wunsch tilpassede til at blive den dynamiske motor for ECCO.

Detaljeret forståelse af nøjagtigheden og præcisionerne af denne metodologi, inklusive mindst en vis tilnærmelse til et fejlestimat på alle skalaer, er "en uglamorøs, men væsentlig aktivitet, " siger Wunsch.

Hvor uglamorøst metoden end måtte være, resultaterne er elegante løsninger, der passer til næsten alle typer havobservationer, og som er, samtidigt, i overensstemmelse med modellen. Disse løsninger bliver nu brugt til at informere en bred vifte af forskning, lige fra havets variabilitet, biologiske kredsløb, kystfysik, og geodæsi. Nogle undersøgelser har involveret mere umiddelbare anvendelser, som at forudsige fysisk flow og blande felter, som påvirker økosystemerne for hummere og torsk. Andre tilbyder bedre løsning på store billeder, som havets kulstofabsorption, stigning i havniveauet, klimaprognose, og palæoklima.

med ECCO, at analysere disse problemer er ikke længere begrænset til brugen af ​​enkelte datasæt, og forskere er befriet for bekymringer om, at grundlæggende egenskaber såsom energibesparelse bliver krænket i analysen, siger Wunsch.

"Det er en luksus at tænke på lang sigt, " siger han. Men tilføjer han, det er en videnskabelig og social nødvendighed og kræver årtier mere data for at gå ud over 20 til 30 år.

I dag står ECCO-indsatsen som bevis på, at model-data-kombinationer, der ser på årtier og længere tidsskalaer, er mulige, siger Wunsch. Men konsortiets mål slutter ikke der.

"Vi ønsker, at denne klimatologi skal bruges til flere forskellige formål, og vi inviterer til brug og kritik af resultatet af det bredere samfund, " siger han. Alle data og modellen er offentligt tilgængelige, Wunsch siger, og hvis nogen er interesseret, alt de skal gøre er at bede om hjælp.

Wunsch, som er pensioneret, men stadig har et kontor i Green Building på MIT, siger glad, at hans tidligere elever og gruppemedlemmer nu har overtaget ECCO-indsatsen. Faktisk, artiklens medforfattere var alle engang Wunschs rådgivere:lektor Patrick Heimbach fra University of Texas i Austin, Hovedforsker Ichiro Fukumori fra NASA Jet Propulsion Laboratory, og Rui M. Ponte fra Atmospheric and Environmental Research (AER), Inc.

Wunsch håber, at ECCO's spredning til den næste generation af forskere vil gøre det mere modstandsdygtigt over for omskiftelige politiske og økonomiske tendenser. Fordi at forstå, hvordan havet opfører sig under et skiftende klima - og hvordan det sandsynligvis vil ændre sig i fremtiden - kræver uafbrudte observationer af havcirkulationens enorme kompleksitet.

"Der kan ikke være huller i data, " sagde Wunsh. "Gaps er dødelige."