Как улучшить моделирование и прогнозирование климата
Мы изменяем систему Земли с беспрецедентной скоростью, не представляя в деталях последствий. Всё более подробные модели постоянно совершенствуются, но глубокое понимание сохраняющихся неопределённостей по-прежнему отсутствует. Две основные задачи заключены в том, чтобы получить необходимый объём детальной модельной информации и точно предсказать, как антропогенный диоксид углерода СО2 нарушает внутреннюю природную изменчивость климата. Путь к преодолению обоих этих препятствий изложен во всеобъемлющем обзоре, опубликованном в Reviews of Modern Physics Майклом Гилом и Валерио Лукарини (Michael Ghil and Valerio Lucarini) из климатического проекта ЕС «Горизонт 2020» TiPES.
«Мы предлагаем идеи для осуществления гораздо более эффективного моделирования климата, чем позволяет традиционный подход, основанный исключительно на более подробных моделях. И мы показываем, как извлечь из этих моделей гораздо больше информации с более высокими возможностями для прогнозов. Мы считаем, что это важно, оригинально и гораздо более эффективно, чем многие используемые сегодня методы», - говорит Лукарини, профессор математики и статистики в Университете Рединга, Великобритания и в CEN (Center for Earth System Research and Sustainability) Института метеорологии, Университет Гамбурга, Германия.
Такой подход крайне необходим, поскольку современные климатические модели обычно не выполняют две важные задачи. Во-первых, они не могут уменьшить неопределённость в определении средней глобальной температуры на поверхности после удвоения углекислого газа в атмосфере. Это характеристика называется равновесной чувствительностью климата, и по оценкам, произведённым в 1979 году, она лежит в пределах 1,5–4 градусов Цельсия. С тех пор неопределённость выросла: сегодня она составляет от 1,5 до 6 градусов, несмотря на несомненный прогресс в усовершенствовании численных моделей и огромный прирост вычислительных мощностей за последние десятилетия.
Во-вторых, усилия климатических моделей направлены на предсказание «переломных» моментов, возникающих, когда подсистема (т.е. морские течения, ледяной покров, ландшафт, экосистема) внезапно и бесповоротно переходит из одного состояния в другое. Подобные ситуации хорошо документированы в исторических записях и представляют серьёзную угрозу для современного общества. Тем не менее, они не предсказываются высококлассными климатическими моделями, на которые опираются оценки МГЭИК.
Эти трудности основаны на том, что математическая методология, используемая в большинстве климатических расчётов с высоким разрешением, не позволяет адекватно воспроизвести детерминистическое хаотическое поведение или связанные с этим неопределённости при наличии зависящего от времени воздействия.
Хаотическое поведение присуще системе Земли, так как многие физические, химические, геологические и биологические процессы варьируются во временных масштабах от микросекунд до миллионов лет, в том числе образование облаков, осаждение, выветривание, океанические течения, циркуляцию воздуха, влажность, фотосинтез и т.д. Помимо того, возмущение системы обусловлено в основном солнечной радиацией, которая естественным образом меняется с течением времени, а также антропогенными изменениями в атмосфере. Таким образом, система Земли очень сложна, детерминистически хаотична, стохастически возмущена и никогда не находится в равновесии.
«То, что мы делаем, - это, по сути, распространение детерминированного хаоса на гораздо более общие математические рамки, которое предоставляет инструменты для определения реакции климатической системы на всевозможные воздействия, как детерминированные, так и стохастические», - объясняет Гил, профессор в Ecole. Университет Нормале и Университет PSL в Париже, Франция и в Университете Калифорнии, Лос-Анджелес, США.
Фундаментальные идеи не так уж новы. Теория была разработана десятилетия назад, но она очень сложна и требует междисциплинарного сотрудничества экспертов для реализации в климатических моделях. Такие междисциплинарные подходы постепенно появляются, в них участвуют специалисты по климату, а также эксперты в области прикладной математики, теоретической физики и теории динамических систем. Авторы надеются, что обзор ускорит эту тенденцию, поскольку он описывает математические инструменты, необходимые для такой работы.
«Мы представляем самосогласованное понимание изменения и изменчивости климата в чётко определённых рамках. Я думаю, что это важный шаг в решении проблемы. Потому что, прежде всего, вы должны правильно сформулировать её. Мы используем концептуальные инструменты, которые широко обсуждаются в нашей статье, и мы надеемся, что наука о климате и моделирование климата сделают шаг вперед», - говорит Лукарини.
