Vi förändrar jordsystemet i en hastighet utan motstycke utan att veta konsekvenserna i detalj. Alltmer detaljerad, fysikbaserade modeller förbättras stadigt, men en djupgående förståelse för kvarstående osäkerheter saknas fortfarande. De två huvudsakliga utmaningarna har varit att få den detaljerade mängden detaljer i modellerna och att exakt förutse hur antropogen koldioxid stör klimatets inneboende, naturlig variation. En väg till att övervinna båda dessa hinder beskrivs nu i en omfattande översyn publicerad i Recensioner av modern fysik av Michael Ghil och Valerio Lucarini från EU Horizon 2020 klimatvetenskapliga projektet TiPES.

"Vi föreslår idéer för att utföra mycket mer effektiva klimatsimuleringar än det traditionella tillvägagångssättet att uteslutande förlita sig på större och större modeller tillåter. Och vi visar hur man extraherar mycket mer information med mycket högre förutsägelseeffekt från dessa modeller. Vi tycker att det är värdefullt, original och mycket mer effektivt sätt än många saker som görs, "säger Valerio Lucarini, professor i matematik och statistik vid University of Reading, Storbritannien och på CEN, institutet för meteorologi, Hamburgs universitet, Tyskland.

Ett sådant tillvägagångssätt är brådskande nödvändigt, eftersom nuvarande klimatmodeller generellt misslyckas med att utföra två viktiga uppgifter. Först, de kan inte minska osäkerheten när det gäller att bestämma den genomsnittliga globala temperaturen vid ytan efter en fördubbling av koldioxid (CO ₂ ) i atmosfären. Detta nummer kallas jämviktsklimatkänslighet, och 1979, den beräknades till 1,5 till 4 grader Celsius. Sedan dess, osäkerheten har ökat. Idag är det 1,5 till 6 grader trots decennier av förbättringar av numeriska modeller och enorma vinster i beräkningskraft under samma period.

Andra, klimatmodeller kämpar för att förutsäga vändpunkter, som uppstår när ett delsystem, dvs. en havsström, ett isark, ett landskap, ett ekosystem växlar plötsligt och oåterkalleligt från ett tillstånd till ett annat. Denna typ av händelser är väl dokumenterade i historiska register och utgör ett stort hot mot moderna samhällen. Fortfarande, de förutspås inte av de avancerade klimatmodeller som IPCC-bedömningarna bygger på.

Dessa svårigheter grundar sig i det faktum att matematisk metodik som används i de flesta högupplösta klimatberäkningar inte tillräckligt reproducerar deterministiskt kaotiskt beteende eller tillhörande osäkerheter i närvaro av tidsberoende tvång.

Kaotiskt beteende är inneboende i jordsystemet, lika många fysiska, kemisk, geologiska och biologiska processer sträcker sig i tidsskalor från mikrosekunder till miljoner år, inklusive molnbildning, sedimentation, förvittring, havsströmmar, vindmönster, fukt, fotosyntes etc. Bortsett från det, systemet tvingas främst av solstrålning, som varierar naturligt över tiden, men också genom antropogena förändringar i atmosfären. Således, jordsystemet är mycket komplext, deterministiskt kaotiskt, stokastiskt störd och aldrig i jämvikt.

"Det vi gör är att väsentligen utvidga det deterministiska kaoset till en mycket mer allmän matematisk ram, som tillhandahåller verktygen för att bestämma klimatsystemets reaktion på alla slags tvång, såväl deterministisk som stokastisk, "förklarar Michael Ghil, professor vid Ecole Normale Supérieure och PSL University i Paris, Frankrike och vid University of California, Los Angeles, U.S ..

Grundidéerna är inte så nya. Teorin utvecklades för decennier sedan, men är en mycket svår matematisk teori som kräver multidisciplinärt samarbete mellan experter för att implementeras i klimatmodeller. Sådana tvärvetenskapliga tillvägagångssätt har långsamt kommit fram, involverar klimatvetenskapssamhället samt experter på tillämpad matematik, teoretisk fysik och dynamisk systemteori. Författarna hoppas att granskningsrapporten kommer att påskynda denna tendens eftersom den beskriver de matematiska verktyg som behövs för sådant arbete.

"Vi presenterar en självkonsistent förståelse av klimatförändringar och klimatvariationer i en väldefinierad sammanhängande ram. Jag tror att det är ett viktigt steg för att lösa problemet. För att du först och främst måste ställa det korrekt. Så tanken är-om vi använder de konceptuella verktyg vi diskuterar utförligt i vårt papper, vi kanske hoppas kunna hjälpa klimatvetenskap och klimatmodellering att ta ett steg framåt, säger Valerio Lucarini.