Färgglatt växtplankton i vattnen utanför Patagoniens kust i Sydamerika. För många delar av havet, netto primärproduktivitet – ett mått på det organiska materialet som produceras av växtplankton – kan förutsägas ett till tre år i förväg. Sådana förutsägelser kan hjälpa till att hantera kustnära marina ekosystem på ett hållbart sätt. Kredit:NASA
En ökning av sannolikheten för ett "Grönlandsblock" - en utbuktning av högtryck som stannar över den massiva ön och kan orsaka extremt väder både i Nordamerika och Europa - kan vara förutsägbar år i förväg.
Så också kan förändringar i havssyrahalten i Kaliforniens nuvarande system, som upprätthåller ett rikt och ekonomiskt viktigt fiske, såväl som flöden i mängden organiskt material som produceras av växtplankton i havet, som utgör basen i den marina matpyramiden.
Även troliga ökningar eller minskningar av mängden koldioxid som tas upp av växter, och de resulterande effekterna på koncentrationen av koldioxid i atmosfären, kan vara förutsägbar flera år ut.
Dessa fynd kommer från en mängd nya tidningar som tillsammans visar att ett brett spektrum av fenomen i atmosfären, hav, och land kan vara förutsägbart på tidshorisonter som sträcker sig från ett år till ett decennium. De nya studierna är alla härledda från Decadal Prediction Large Ensemble (DPLE), en massiv, fritt tillgänglig databas med modellsimuleringar utvecklade och inhysta vid National Centre for Atmospheric Research (NCAR).
DPLE designades och skapades specifikt för att tillåta forskare från olika discipliner att undersöka aspekter av jordsystemet som kan ha element av förutsägbarhet på en decadal tidsskala, överbrygga gapet mellan säsongsprognoser och klimatprognoser. Än så länge, den har bekräftat vissa element som forskare redan misstänkte kunde förutsägas år i förväg – som havsytans temperaturer i Nordatlanten, som bland annat påverkar vädret över Europa. Men att undersöka databasen har också avslöjat en mängd andra möjligheter.
"Det har gått två år sedan vi släppte datamängden, och det vi har lärt oss har överträffat våra förväntningar, " sa NCAR-forskaren Steve Yeager, som ledde projektet. "Saker folk aldrig trodde var förutsägbara, vi finner förutsägbara med DPLE."
25, 600 simulerade år
DPLE:s hemlighet till framgång är dess storlek. Datauppsättningen består av 64 individuella ensembler (eller uppsättningar av simuleringar), en för varje år mellan 1954 och 2017. Varje ensemble består av 40 medlemmar som springer fram ett decennium i simulerad tid. Totalt, datasetet innehåller 25, 600 simulerade år av klimatinformation. Simuleringarna skapades av den NCAR-baserade Community Earth System Model (CESM) och körs främst på NCAR-Wyoming Supercomputing Centers Cheyenne-system.
Att ha en ensemble av 40 individuella modellsimuleringar från samma decennium gör det möjligt för forskare att reta ut känsliga signaler om förutsägbarhet som annars skulle missas med bara en – eller till och med en handfull – modellkörningar. Varje medlem i ensemblen sparkas igång med historiska förutsättningar för startåret, men sedan justeras var och en nästan omöjlig att särskilja. Den minimala justeringen är tillräckligt för att skicka varje simulering iväg på en distinkt väg, vilket resulterade i 40 möjliga sätt som decenniets klimat kunde ha utvecklats på.
Forskare kan avslöja möjliga områden av förutsägbarhet genom att se över hela ensemblen. Områden där simuleringarna tenderar att stämma överens är kandidater för förutsägbarhet, och ju starkare de är överens, desto skickligare är förutsägelsen sannolikt.
"Vi var de första som arbetade med dekadalförutsägelse med en stor ensemble i ett system med en modell, " Sa Yeager. "Det faktum att vi kastade alla dessa ensemblemedlemmar på problemet är det som tillät oss att få dessa resultat."
Framgången med projektet har redan Yeager och hans kollegor funderat på vad som händer härnäst. En möjlighet är att justera de typer av observationer som används för att starta ensemblen. Eftersom fenomen som kan förutsägas år i förväg tenderar att vara knutna till förändringar i havet – som utspelar sig över mycket längre tidsskalor än förändringar i atmosfären och på land – använde den ursprungliga DPLE tillståndet för havet och havsisen som utgångspunkt för modellerna. Att lägga till observationer av atmosfären och marken skulle kunna förbättra en viss förutsägbarhet på relativt kort sikt på mer än ett år eller så.
"Vi är verkligen intresserade av hur vi ska utveckla det här - vad vi kan göra som skulle ta det till nästa nivå, " Sa Yeager. "Den första DPLE ger oss tips om vad som är möjligt. Nu vill vi finjustera de tekniker som behövs för att göra decadalförutsägelser till något som kan vara användbart för beslutsfattare och planerare."
