Ian N. Williams är forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), där han är huvudutredare i ett program som heter Land-Atmosphere Coupling and Convection in the Water Cycle.

Mer allmänt, hans forskning involverar många trådar inom atmosfärvetenskapens värld. Bland första författarpublikationer av Williams finns studier av solstrålning och vintervete, polar virvelhändelser, och tropisk konvektion och moln - ett återkommande intresse sedan han avslutade sin avhandling om detta ämne vid University of Chicago (Ph.D., 2012).

Nyligen, dock, Williams lägger mycket av sin tid på projektet land-atmosfär-interaktioner, som sponsras av Atmospheric System Research (ASR), ett amerikanskt energidepartementprogram. (På LBNL:s webbplats, hans ASR -projekt kombineras med ett annat om strålningstvång.)

Land-atmosfär-interaktioner leddes tidigare av seniorforskaren Margaret Torn, med vilka Williams och sju andra forskare arbetar inom Torn's Biosphere-Atmosphere-programdomän. Det är en del av LBNL:s klimat- och ekosystemvetenskapsavdelning. Förutom ASR -forskning, den berör klimatmodellering och markbunden ekosystemvetenskap.

Bland andra sysslor, Williams och hans projektteam arbetar på sätt att förbättra förutsägbara jordsystemmodeller genom att skärpa representationer av hur landprocesser (inklusive kol, vatten, och energicykler) länkar till moln, strålning och nederbörd.

"Markytorna har påverkan på klimatet som vi måste få rätt, " han säger.

Bladområdeindex

Till viss del, att få dessa influenser rätt kräver att komma in i ogräset - bokstavligen. Det är, förstå vegetationens roll i land-atmosfär-interaktioner-eller, mer allmänt, dess roll i vattencykeln.

Tidigare, man trodde att markfuktigheten var den främsta drivkraften för variationer i förångningsfraktion, ett förhållande som mäter hur energi "delas" över landytor mellan latent och förnuftig värme. Den kan användas för att utläsa daglig energibalans, en viktig parameter i klimatmodeller.

Williams höll en gång ett föredrag med titeln "Putting the Land Back in Land-Atmosphere Interactions, "poängen är, han säger, "att utan att tänka på vegetation kommer du inte riktigt på interaktionerna."

I en tidning från 2015 som Williams kallar "grundläggande, "han och Torn argumenterar för ett nytt mått som mest påverkar bladarealindex (LAI) och upptag av koldioxid istället för markfuktighet som ett samband med förångningsfraktionen.

LAI används för att kvantifiera växthus. Det är också användbart för att förutsäga evapotranspiration, vilket påverkar energibalansen på landytan.

"Vi gick igenom vad som styr ytvärmeflöde, "sade Williams om tidningen, och fann "att det påverkas av fler saker än jordfuktighet, "inklusive transpiration och fotosyntes.

Williams var också huvudförfattare på ett uppföljningspapper 2016 med Torn och andra. De testade LAI -idén i en version av National Center for Atmospheric Research's Community Earth System Model och visade att bättre återgivning av vegetation förbättrade modellens förutsägbara skärpa med avseende på temperatur och nederbörd.

Förbättringar i markytemodeller, de avslutade, kan förbättra förutsägelsen av klimat extremer.

"Modeller begränsas för hårt av jordfuktighet" ensam, säger Williams, "vilket påverkar klimatprognosen."

För en, han säger, om avdunstning av fukt från ytan är "felaktigt låg, som kan leda till förutsägelsefördom, (inklusive) för höga temperaturer. "

Nästa relaterade Williams-Torn-papper, nu i granskning, ser mer specifikt på effekterna av detta nya modellschema på förutsägelser av konvektiva moln och nederbörd på säsongsskalor.

Tolkar kolflöden

Williams gick fortfarande på forskarskolan när över två somrar (2006 och 2009), han arbetade på LBNL som forskningsassistent. Sliten var där, tillsammans med två andra forskare som skulle bli framtida medförfattare:experten på marknära ekosystem William Riley och Sebastien Biraud, vars specialitet är att observera och mäta atmosfäriska spårgaser.

"Det var där jag verkligen lärde mig om kolcykeln och om att sätta fotosyntes i jordsystemmodeller, "säger han." Jag hade turen att få den exponeringen tidigt. "

Williams återvände som postdoktor (2012-2016) efter sin doktorsexamen. arbeta med tropisk konvektion. Men han tog med sig något annat från institutionen för geofysiska vetenskaper vid University of Chicago:en uppskattning för tvärvetenskapligt arbete.

Hans avhandlingsrådgivare, Raymond Pierrehumbert, nu professor i fysik vid University of Oxford, "lärde mig vikten av att tänka på klimatet som ett kopplat system, "säger Williams, "och hur fel du kan ha om du inte tar ett systemstrategi och istället tittar på en komponent insolation. Det är detta systemperspektiv som ger tvärvetenskapligt arbete dess betydelse för mig."

Medan Williams tog den lektionen som doktorand. studerande, han odlade också ett intresse för problem inom geologi och paleoklimat.

"Du kan inte skilja geologi från biologi på dessa tidsskalor, " han säger, "och det tänkte jag alltid på där - vikten av biologi."

Land-Surface-modeller, På nytt

Den breda intellektuella erfarenheten under Ph.D. studier ställde upp Williams mycket bra-inte bara för de frågor han introducerades för på LBNL (tolkning av spårgaser och koldioxidflöden)-men också för en övergång till det han kallar "den tredje generationen av landytemodeller."

Den övergången började omkring 2005, säger Williams. "Det var första gången växter hade inkluderats i klimatmodeller på ett mekanistiskt sätt, redogör för kopplade kol- och vattencykler, "tack vare Joseph Berrys banbrytande arbete, en expert på interaktioner mellan biosfär och atmosfär nu vid Carnegie Institution for Science. (Williams interagerade med honom under sin första sommar på Torns laboratorium 2005.)

Även i dag, han lägger till, "Den här typen av modeller är ganska nya. Vi har inte undersökt alla osäkerheter och konsekvenser för klimatet."

Fortfarande, det är omöjligt att skilja klimatet från kolcykeln på dekadala skalor.

"Det är ett nödvändigt perspektiv, "säger Williams - ett erkännande, för en, att skogar med tiden kan kollapsa till gräsmarker, "vilket skulle ha en första ordningens effekt på vattencykeln. Atmosfäriska modeller vi utvecklar måste vara robusta för dessa förändringar. Vi kan inte bara ställa in modellerna för dagens markyta."

Det är viktigt arbete.

"Det enkla faktum är att klimatet påverkas av landytan på grund av flöden av vatten och energi vid gränsen mellan land och atmosfär, "säger Williams - i ett samspel mellan jordfuktighet, växttyper, och höjden på växthuset, som kan vara centimeter till hundratals fot.

Alla dessa interaktioner är också en del av det konvektiva molnparameteriseringsproblemet.

"Konvektion är resultatet av en sekvens, en kedja av processer, "säger han." Det är viktigt att få varje länk i denna kedja rätt. "

Tittar på vädret

Ungefär när han började gymnasiet, Williams och hans familj flyttade från förorts Philadelphia (där han upplevde den episka Blizzard 1993) till förorten Kansas City, Kansas, "där bara några månader efter att vi kom dit, tornadosirenerna gick. Vädret var verkligen annorlunda. "

När den första stormcellen gick över hans stad, Williams tog skydd i ett källarrum där han såg dramat utspelas på en gammal svartvitt TV. "Jag kommer fortfarande ihåg hur radarekot såg ut, " han säger.

Människor i Kansas vet vädret, bry dig om det, se upp för det, och känner till språket, han säger. "Lågnivåstrålar, konvektiva system. Folk är ganska kunniga. "

Snart var Williams också. Vid 15 års ålder spårade han data från National Weather Service och läste tekniska prognosdiskussioner online och sökte igenom läroböcker till söktermer han inte kände.

Vid andra året, Williams laddade ner numeriska väderdata, skanna säsongens väderprognoser, och undersöker, på ett El Niño -år, effekterna av havets yttemperaturer på klimatet.

"Jag blev mer allmänt intresserad av vetenskap genom mitt intresse för atmosfärisk vetenskap, "säger han om gymnasietiden." Efter det, Jag tog fysiken mer på allvar. Jag tog matte mer seriöst. "

Williams, en pianist, började college vid University of Kansas för att studera musik. Men senare, dras till att studera atmosfärisk vetenskap, han överförde till Cornell University (B.S. 2005, FRÖKEN. 2007).

"Passionen för att förstå vädret och klimatet var bara något jag hela tiden kom tillbaka till, " han säger.

'Omfamna komplexiteten'

Vid University of Chicago, Williams täckte mycket mark - och hav - i sin doktorandforskning. Han tittade på två frågor:molnstrålningseffekten av konvektiva moln i tropikerna ("en stor oro för klimatprojektion, "säger han) och kopplingen mellan havsytan och jordens energibalans.

Idag på LBNL, den närmaste framtiden innebär att "omfamna komplexiteten, "säger Williams. Det inkluderar att kombinera observationsdata med högupplösta atmosfäriska modeller som är kopplade till landytemodeller-allt för att undersöka interaktionen med moln" på ett experimentellt sätt, " han säger.

Finns det liv för honom utanför vetenskapen?

Ibland, säger Williams. Han tycker om att ta dagsturer med sin fru och - på sistone - läsa om andra forskare, inklusive nobelpristagaren Ernest O.Lawrence, grundaren av LBNL.

En bok lanserade det han kallar "mitt nuvarande läsprogram":2007 -historien om dendrokronolog Edmund Schulman, som utvecklat klimatrekord från gamla tallar med brist. (Vissa är långt över 4, 000 år gammal.)

Hans senaste strejk mot trycket var "The Brothers Vonnegut:Science and Fiction in the House of Magic, "en dubbel biografi om molnforskaren Bernard Vonnegut och romanförfattaren Kurt Vonnegut Jr.

"Det är intressant, läsa deras berättelser, "säger Williams om andra forskare." En del av det kan jag relatera till - svårigheterna med en vetenskapskarriär och hur de hittade sin väg. "