Sådan forbedres klimamodellering og forudsigelse

Vi ændrer jordsystemet med en hidtil uset hastighed uden at kende konsekvenserne i detaljer. Stadig mere detaljeret, fysik-baserede modeller forbedres støt, men en indgående forståelse af vedvarende usikkerheder mangler stadig. De to hovedudfordringer har været at få den nødvendige mængde detaljer i modellerne og præcist at forudsige, hvordan menneskeskabt kuldioxid forstyrrer klimaets indre, naturlig variation. En vej til at overvinde begge disse forhindringer er nu udstukket i en omfattende gennemgang offentliggjort i Anmeldelser af moderne fysik af Michael Ghil og Valerio Lucarini fra EU Horizon 2020 klimavidenskabsprojekt TiPES.

"Vi foreslår ideer til at udføre meget mere effektive klimasimuleringer, end den traditionelle tilgang med udelukkende at stole på større og større modeller tillader. Og vi viser, hvordan man kan udtrække meget mere information med meget højere forudsigelseskraft fra disse modeller. Vi synes, det er en værdifuld, original og meget mere effektiv måde end mange ting, der bliver gjort, " siger Valerio Lucarini, professor i matematik og statistik ved University of Reading, Storbritannien og på CEN, Meteorologisk Institut, Universitetet i Hamborg, Tyskland.

En sådan tilgang er påtrængende nødvendig, fordi de nuværende klimamodeller generelt fejler i at udføre to vigtige opgaver. Først, de kan ikke reducere usikkerheden ved bestemmelse af den globale middeltemperatur ved overfladen efter en fordobling af kuldioxid (CO ₂ ) i atmosfæren. Dette tal kaldes ligevægtsklimafølsomhed, og i 1979, det blev beregnet til 1,5 til 4 grader Celsius. Siden da, usikkerheden er vokset. I dag er det 1,5 til 6 grader på trods af årtiers forbedring 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, et økosystem pludselig og uigenkaldeligt skifter fra en stat til en anden. Denne slags begivenheder er veldokumenterede i historiske optegnelser og udgør en stor trussel mod moderne samfund. Stadig, de forudsiges ikke 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 i tilstrækkelig grad reproducerer deterministisk kaotisk adfærd eller de tilhørende usikkerheder i nærvær af tidsafhængig forcering.

Kaotisk adfærd er iboende for Jordsystemet, lige så mange fysiske, kemisk, geologiske og biologiske processer spænder i tidsskalaer fra mikrosekunder til millioner af år, herunder skydannelse, sedimentation, forvitring, havstrømme, vindmønstre, fugtighed, fotosyntese osv. Udover det, systemet tvinges hovedsageligt 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.

"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, " forklarer Michael Ghil, professor ved Ecole Normale Supérieure og PSL University i Paris, Frankrig og ved University of California, Los Angeles, OS..

De grundlæggende ideer er ikke så nye. Teorien blev udviklet for årtier siden, men er en meget vanskelig matematisk teori, der kræver tværfagligt samarbejde mellem eksperter for at blive implementeret i klimamodeller. Sådanne tværfaglige tilgange er langsomt dukket op, involverer klimavidenskabssamfundet såvel som eksperter i anvendt matematik, teoretisk fysik og dynamisk systemteori. Forfatterne håber, at gennemgangspapiret vil fremskynde denne tendens, da den beskriver de matematiske værktøjer, der er nødvendige for sådant arbejde.

"Vi præsenterer en selvkonsekvent forståelse af klimaændringer og klimavariabilitet i en veldefineret sammenhængende ramme. Jeg synes, det er et vigtigt skridt i løsningen af ​​problemet. For først og fremmest skal du stille det korrekt. Så ideen er - hvis vi bruger de konceptuelle værktøjer, vi diskuterer udførligt i vores papir, vi håber måske at hjælpe klimavidenskab og klimamodellering med at tage et spring fremad, " siger Valerio Lucarini.