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復雜模型也無法預測的變化。

在發(fā)表在《現(xiàn)代物理評論》期刊上的一個數(shù)學框架研究，旨在連貫地納入由于地球陸地、海洋和大氣上不斷發(fā)生的無數(shù)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(zhuǎn)的溫度變化相關(guān)的臨界點。這項研究由雷丁大學瓦萊里奧·盧卡里尼教授和巴黎諾曼學院、加州大學的邁克爾·蓋爾教授領導，并得到了歐盟地平線2020氣候科學項目TiPES(地球系統(tǒng)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(xié)調(diào)和領導。

地球正在以前所未有的速度變化，但其后果仍存在很大不確定性。越來越詳細、基于物理的模型正在穩(wěn)步改進，但仍然缺乏對持續(xù)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(zhàn)途徑：在模型中獲得必要的細節(jié)，以及準確預測人為二氧化碳如何干擾氣候的內(nèi)在自然變異性來自雷丁大學數(shù)學與統(tǒng)計系和漢堡大學CEN氣象研究所的瓦萊里奧·盧卡里尼(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(tǒng)方法相比，研究提出了執(zhí)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(chuàng)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(zhí)行兩項重要任務。首先，在大氣中二氧化碳增加一倍后，它們無法減少確定地表平均全球溫度的不確定性。這個數(shù)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，盡管數(shù)值模型經(jīng)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(tǒng)，即海流、冰蓋、景觀或生態(tài)系統(tǒng)突然不可挽回地從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)時，臨界點就會發(fā)生。這類事件在歷史記錄中有很好的記載，并對現(xiàn)代社會構(gòu)成了重大威脅。

盡管如此，IPCC評估所依賴的高端氣候模型并沒有足夠準確地預測它們。這些困難的根源在于，大多數(shù)高分辨率氣候計算中使用的數(shù)學方法，不能很好地再現(xiàn)確定性的混亂行為，也不能很好地再現(xiàn)與時間相關(guān)確定性和隨機性強迫的相關(guān)不確定性?；煦缧袨槭堑厍蛳到y(tǒng)固有的行為，因為云的形成、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(zhì)和生物過程在時間尺度上從微秒到數(shù)百萬年不等。

混沌的世界

除此之外，這個系統(tǒng)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(tǒng)是高度復雜的，確定性的混沌，隨機的擾動，并且永遠不會處于平衡狀態(tài)。研究所做的實質(zhì)上是將確定性混沌擴展到一個更一般的數(shù)學框架，它提供了工具來確定氣候系統(tǒng)對各種壓力的反應，既有確定性的，也有隨機性的。

新方法的基本思想并不是完全新的，因為數(shù)學理論是在幾十年前發(fā)展起來的。然而，新方法優(yōu)點是使該理論可用于氣候研究，并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(shù)學、理論物理和動力系統(tǒng)理論專家的跨學科方法出現(xiàn)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(shù)學工具。

研究在一個定義明確、連貫的框架內(nèi)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。使用復雜數(shù)學來提高對地球系統(tǒng)臨界點的理解，并更好地預測可能從根本上改變其狀態(tài)的系統(tǒng)的變化，這些系統(tǒng)包括生態(tài)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和其他系統(tǒng)。

博科園｜研究/來自：雷丁大學

參考期刊《現(xiàn)代物理評論》

DOI: 10.1103/RevModPhys.92.035002

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