让气候预测取得质的飞跃，用这个新的数学框架，了解混沌的世界！

了解气候的混乱变异性及其对气候变化的反应，可以帮助科学家更好地预测即使是最复杂模型也无法预测的变化。在发表在《现代物理评论》期刊上的一个数学框架研究，旨在连贯地纳入由于地球陆地、海洋和大气上不断发生的无数过程而导致正常气候变异性与人为和自然影响之间的相互作用，这一点在目前气候预测中仍未得到令人满意的解决。

这可以更准确地预测人类造成温室气体排放和自然事件的最极端影响，例如与海冰融化或不可逆转的温度变化相关的临界点。这项研究由雷丁大学瓦莱里奥·卢卡里尼教授和巴黎诺曼学院、加州大学的迈克尔·盖尔教授领导，并得到了欧盟地平线2020气候科学项目TiPES(地球系统中的临界点)的支持。TPES由丹麦哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔研究所协调和领导。

地球正在以前所未有的速度变化，但其后果仍存在很大不确定性。越来越详细、基于物理的模型正在稳步改进，但仍然缺乏对持续存在的不确定性的深入理解。新的研究框架提出了一条克服增加这种理解的两个主要挑战途径：在模型中获得必要的细节，以及准确预测人为二氧化碳如何干扰气候的内在自然变异性来自雷丁大学数学与统计系和汉堡大学CEN气象研究所的瓦莱里奥·卢卡里尼(Valerio Lucarini)教授说：

模型中的不确定性

与单纯依赖越来越大的模型传统方法相比，研究提出了执行更有效气候模拟的想法，研究展示了如何以更高预测力从这些模型中提取更多信息，研究认为，这是一种有价值的、原创性的、比正在做的许多事情都有效得多的方式。迫切需要一种新的方法，因为目前的气候模型通常无法执行两项重要任务。首先，在大气中二氧化碳增加一倍后，它们无法减少确定地表平均全球温度的不确定性。这个数字被称为平衡气候敏感度，1979年它被计算为1.5-4摄氏度。

从那时起，不确定性就增加了。今天，尽管数值模型经过了几十年的改进，计算能力在同一时期获得了巨大的提高，但气温仍在1.5-6摄氏度之间。其次，气候模型很难预测临界点，当一个子系统，即海流、冰盖、景观或生态系统突然不可挽回地从一个状态转移到另一个状态时，临界点就会发生。这类事件在历史记录中有很好的记载，并对现代社会构成了重大威胁。

尽管如此，IPCC评估所依赖的高端气候模型并没有足够准确地预测它们。这些困难的根源在于，大多数高分辨率气候计算中使用的数学方法，不能很好地再现确定性的混乱行为，也不能很好地再现与时间相关确定性和随机性强迫的相关不确定性。混沌行为是地球系统固有的行为，因为云的形成、沉积、风化、洋流、风型、水分、光合作用等截然不同的物理、化学、地质和生物过程在时间尺度上从微秒到数百万年不等。

混沌的世界

除此之外，这个系统主要是受到太阳辐射的强迫，这种辐射随着时间的推移自然变化，但也受到大气的人为变化的影响。因此，地球系统是高度复杂的，确定性的混沌，随机的扰动，并且永远不会处于平衡状态。研究所做的实质上是将确定性混沌扩展到一个更一般的数学框架，它提供了工具来确定气候系统对各种压力的反应，既有确定性的，也有随机性的。

新方法的基本思想并不是完全新的，因为数学理论是在几十年前发展起来的。然而，新方法优点是使该理论可用于气候研究，并为气候模式的改进和检验提供有用的工具。到目前为止，这种涉及气候科学界以及应用数学、理论物理和动力系统理论专家的跨学科方法出现得太慢了。研究人员希望能加速这一趋势，因为它描述了这类工作所需的数学工具。

研究在一个定义明确、连贯的框架内提出了对气候变化和气候变异性的自我一致理解，这是解决问题的重要一步，因为首先必须正确地提出这个问题。因此，如果使用这个概念工具，可能会帮助气候科学和气候建模取得飞跃。使用复杂数学来提高对地球系统临界点的理解，并更好地预测可能从根本上改变其状态的系统的变化，这些系统包括生态系统、生物系统、社会系统和其他系统。

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博科园｜研究/来自：雷丁大学

参考期刊《现代物理评论》

DOI: 10.1103/RevModPhys.92.035002

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