讓氣候預測取得質的飛躍，用這個新的數學框架，了解混沌的世界

2020-08-09 博科園

了解氣候的混亂變異性及其對氣候變化的反應，可以幫助科學家更好地預測即使是最複雜模型也無法預測的變化。在發表在《現代物理評論》期刊上的一個數學框架研究，旨在連貫地納入由於地球陸地、海洋和大氣上不斷發生的無數過程而導致正常氣候變異性與人為和自然影響之間的相互作用，這一點在目前氣候預測中仍未得到令人滿意的解決。

這可以更準確地預測人類造成溫室氣體排放和自然事件的最極端影響，例如與海冰融化或不可逆轉的溫度變化相關的臨界點。這項研究由雷丁大學瓦萊裡奧·盧卡裡尼教授和巴黎諾曼學院、加州大學的麥可·蓋爾教授領導，並得到了歐盟地平線2020氣候科學項目TiPES(地球系統中的臨界點)的支持。TPES由丹麥哥本哈根大學的尼爾斯·玻爾研究所協調和領導。

地球正在以前所未有的速度變化，但其後果仍存在很大不確定性。越來越詳細、基於物理的模型正在穩步改進，但仍然缺乏對持續存在的不確定性的深入理解。新的研究框架提出了一條克服增加這種理解的兩個主要挑戰途徑：在模型中獲得必要的細節，以及準確預測人為二氧化碳如何幹擾氣候的內在自然變異性來自雷丁大學數學與統計系和漢堡大學CEN氣象研究所的瓦萊裡奧·盧卡裡尼(Valerio Lucarini)教授說：

模型中的不確定性

與單純依賴越來越大的模型傳統方法相比，研究提出了執行更有效氣候模擬的想法，研究展示了如何以更高預測力從這些模型中提取更多信息，研究認為，這是一種有價值的、原創性的、比正在做的許多事情都有效得多的方式。迫切需要一種新的方法，因為目前的氣候模型通常無法執行兩項重要任務。首先，在大氣中二氧化碳增加一倍後，它們無法減少確定地表平均全球溫度的不確定性。這個數字被稱為平衡氣候敏感度，1979年它被計算為1.5-4攝氏度。

從那時起，不確定性就增加了。今天，儘管數值模型經過了幾十年的改進，計算能力在同一時期獲得了巨大的提高，但氣溫仍在1.5-6攝氏度之間。其次，氣候模型很難預測臨界點，當一個子系統，即海流、冰蓋、景觀或生態系統突然不可挽回地從一個狀態轉移到另一個狀態時，臨界點就會發生。這類事件在歷史記錄中有很好的記載，並對現代社會構成了重大威脅。

儘管如此，IPCC評估所依賴的高端氣候模型並沒有足夠準確地預測它們。這些困難的根源在於，大多數高解析度氣候計算中使用的數學方法，不能很好地再現確定性的混亂行為，也不能很好地再現與時間相關確定性和隨機性強迫的相關不確定性。混沌行為是地球系統固有的行為，因為雲的形成、沉積、風化、洋流、風型、水分、光合作用等截然不同的物理、化學、地質和生物過程在時間尺度上從微秒到數百萬年不等。

混沌的世界

除此之外，這個系統主要是受到太陽輻射的強迫，這種輻射隨著時間的推移自然變化，但也受到大氣的人為變化的影響。因此，地球系統是高度複雜的，確定性的混沌，隨機的擾動，並且永遠不會處於平衡狀態。研究所做的實質上是將確定性混沌擴展到一個更一般的數學框架，它提供了工具來確定氣候系統對各種壓力的反應，既有確定性的，也有隨機性的。

新方法的基本思想並不是完全新的，因為數學理論是在幾十年前發展起來的。然而，新方法優點是使該理論可用於氣候研究，並為氣候模式的改進和檢驗提供有用的工具。到目前為止，這種涉及氣候科學界以及應用數學、理論物理和動力系統理論專家的跨學科方法出現得太慢了。研究人員希望能加速這一趨勢，因為它描述了這類工作所需的數學工具。

研究在一個定義明確、連貫的框架內提出了對氣候變化和氣候變異性的自我一致理解，這是解決問題的重要一步，因為首先必須正確地提出這個問題。因此，如果使用這個概念工具，可能會幫助氣候科學和氣候建模取得飛躍。使用複雜數學來提高對地球系統臨界點的理解，並更好地預測可能從根本上改變其狀態的系統的變化，這些系統包括生態系統、生物系統、社會系統和其他系統。

博科園｜研究/來自：雷丁大學

參考期刊《現代物理評論》

DOI: 10.1103/RevModPhys.92.035002

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