雷丁大学 信用:CC0公共领域 了解气候的混沌可变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的模型也无法预测的变化
《现代物理学评论》杂志上提出的一个数学框架旨在连贯地纳入正常气候变化能力和人为和自然影响之间的相互作用，正常气候变化能力是由于地球陆地、海洋和大气上不断发生的无数过程造成的，而目前的气候预测仍然不能令人满意地解决这一问题
这可以更准确地预测人类造成的温室气体排放和自然事件的最极端影响，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的瓦列里奥·卢卡里尼教授和他来自法国巴黎高等师范学院和美国加州大学的同事迈克尔·吉尔教授领导，并得到了欧盟地平线2020气候科学项目TiPES(地球系统的临界点)的支持
丹麦哥本哈根大学的尼尔斯·波尔研究所负责协调和领导该项目
地球正在以前所未有的速度变化，然而后果仍有很大的不确定性
越来越详细，基于物理的模型正在稳步改善，但对持续的不确定性的深入理解仍然缺乏
新的框架提出了一条克服两个主要挑战的途径，以增加这种理解:在模型中获得必要的细节，并准确预测人为二氧化碳如何干扰气候的内在、自然变化
雷丁大学数学与统计系和德国汉堡大学CEN气象研究所的瓦列里奥·卢卡里尼教授说:“我们提出的想法是，与传统的完全依赖越来越大的模型的方法相比，进行更有效的气候模拟。”
“我们展示了如何从这些模型中以更高的预测能力提取更多的信息
我们认为这是一种有价值的、新颖的、比许多正在做的事情更有效的方法
" 模型故障 作者认为迫切需要一种新的方法，因为目前的气候模型通常无法完成两项重要任务
首先，在大气中的二氧化碳增加了一倍之后，他们不能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，在1979年被计算为1
5-4摄氏度
自那以后，不确定性增加了
今天是1
5-6度，尽管数十年来数值模型有所改进，同时计算能力也有巨大提高
其次，气候模型很难预测临界点，当子系统I
e
一股洋流、一片冰原、一片风景或一个生态系统突然地、不可逆转地从一种状态转移到另一种状态
这些事件在历史记录中有很好的记载，对现代社会构成了重大威胁
然而，气专委评估所依赖的高端气候模型并没有对它们进行足够准确的预测
这些困难是基于这样一个事实，即在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最终的混沌行为，也不能再现与时间相关的确定性和随机作用力中的相关不确定性
混乱的世界 混沌行为是地球系统固有的，是非常不同的物理、化学、地质和生物过程，如云的形成、沉积、风化、洋流、风型、水分、光合作用等
时间范围从微秒到百万年
除此之外，这个系统主要受太阳辐射的影响，太阳辐射随时间自然变化，但也受大气人为变化的影响
因此，地球系统是高度复杂的，确定性混沌的，随机扰动的，永远不会平衡
吉尔教授说:“我们所做的基本上是将确定性混沌扩展到一个更普遍的数学框架，它提供了确定气候系统对各种作用力的响应的工具，既有确定性的，也有随机性的
" 所提出的方法的基本思想并不完全是新的，因为数学理论是几十年前发展起来的
然而，该论文的优点是使该理论可用于气候研究，并为改进和测试气候模型提供有用的工具
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到目前为止出现得太慢了
作者希望这篇综述论文将加速这一趋势，因为它描述了这类工作所需的数学工具
卢卡里尼教授说:“我们在一个明确一致的框架内提出了对气候变化和气候变异性的自我一致的理解
我认为这是解决问题的重要一步，因为首先你必须正确地提出它
所以这个想法是，如果我们使用我们在论文中广泛讨论的概念工具，我们可能希望帮助气候科学和气候建模取得飞跃
" 这篇新评论紧跟《非线性》杂志的另一篇论文
这篇论文着眼于通过忧郁症状态的概念，使用复杂的数学来提高对地球系统临界点的理解，并更好地预测可以从根本上改变其状态的系统变化
这些包括生态、生物、社会和其他系统
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