Att förstå klimatets kaotiska variation och dess reaktion på klimatförändringar kan hjälpa forskare att bättre förutse förändringar som fortfarande undviker även de mest sofistikerade modellerna.

En matematisk ram som föreslås i tidskriften Recensioner av modern fysik syftar till att på ett konsekvent sätt införliva samspelet mellan den normala klimatvariationen, på grund av otaliga processer som ständigt sker på jordens land, hav, och atmosfär, och antropogena och naturliga influenser – något som fortfarande tas upp på ett otillfredsställande sätt i nuvarande klimatförutsägelser.

Detta skulle kunna möjliggöra mer exakta förutsägelser av de mest extrema effekterna av utsläpp av växthusgaser och naturhändelser orsakade av människor, t.ex. tipppunkter som är förknippade med smältning av havsis eller irreversibla temperaturförändringar.

Studien leddes av professor Valerio Lucarini vid University of Reading och kollega professor Michael Ghil från Ecole Normale Supérieure i Paris, Frankrike, och University of California i USA, och har fått stöd via EU Horizon 2020 klimatvetenskapliga projekt TiPES (Tipping Points in the Earth System). TiPES koordineras och leds av Niels Bohr Institutet vid Köpenhamns universitet, Danmark.

Jorden förändras i en oöverträffad hastighet, men det råder fortfarande stor osäkerhet om konsekvenserna. Allt mer detaljerad, fysikbaserade modeller förbättras stadigt, men en djupgående förståelse för de bestående osäkerheterna saknas fortfarande.

Det nya ramverket föreslår en väg för att övervinna de två huvudutmaningarna för att öka denna förståelse:att få den nödvändiga mängden detaljer i modeller, och exakt förutsäga hur antropogen koldioxid stör klimatets inneboende, naturlig variation.

"Vi föreslår idéer för att utföra mycket effektivare klimatsimuleringar än den traditionella metoden att uteslutande förlita sig på större och större modeller, sa professor Valerio Lucarini, från institutionen för matematik och statistik vid University of Reading, och CEN Meteorological Institute vid universitetet i Hamburg, Tyskland.

"Vi visar hur man extraherar mycket mer information med mycket högre prediktiv kraft från dessa modeller. Vi tycker att det är en värdefull, originellt och mycket mer effektivt sätt än många saker som görs."

Modellfel

Författarna hävdar att ett nytt tillvägagångssätt är brådskande eftersom nuvarande klimatmodeller i allmänhet misslyckas med att utföra två viktiga uppgifter.

Först, de kan inte minska osäkerheten vid bestämning av den globala medeltemperaturen vid ytan efter en fördubbling av koldioxiden i atmosfären. Detta tal kallas för jämviktsklimatkänslighet och 1979 beräknades det till 1,5-4 grader Celsius. Sedan dess har osäkerheten ökat. Idag är det 1,5-6 grader trots årtionden av förbättringar av numeriska modeller och enorma vinster i beräkningskraft under samma period.

Andra, klimatmodeller kämpar för att förutse tipppunkter, som uppstår när ett delsystem, dvs en havsström, ett inlandsis, ett landskap eller ett ekosystem skiftar plötsligt och oåterkalleligt från ett tillstånd till ett annat.

Den här typen av händelser är väl dokumenterade i historiska dokument och utgör ett stort hot mot moderna samhällen. Fortfarande, de förutsägs inte med tillräcklig noggrannhet av de avancerade klimatmodellerna som IPCC:s bedömningar förlitar sig på.

Dessa svårigheter grundar sig i det faktum att matematisk metodik som används i de flesta högupplösta klimatberäkningar inte reproducerar väl deterministiskt kaotiskt beteende eller de associerade osäkerheterna i närvaro av tidsberoende deterministiska och stokastiska krafter.

En kaotisk värld

Kaotiskt beteende är inneboende för jordsystemet som mycket olika fysiska, kemisk, geologiska och biologiska processer som molnbildning, sedimentering, förvittring, havsströmmar, vindmönster, fukt, fotosyntes etc. varierar i tidsskalor från mikrosekunder till miljoner år. Förutom det, systemet tvingas huvudsakligen 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.

Professor Ghil sa:"Vad vi gör är i huvudsak att utvidga det deterministiska kaoset till ett mycket mer allmänt matematiskt ramverk, som ger verktygen för att bestämma klimatsystemets reaktion på alla slags påtryckningar, deterministisk såväl som stokastisk."

De grundläggande idéerna i det föreslagna tillvägagångssättet är inte helt nya, som den matematiska teorin utvecklades för årtionden sedan. Dock, uppsatsens förtjänst är att göra teorin tillgänglig och användbar för klimatforskning och att tillhandahålla användbara verktyg för att förbättra och testa klimatmodeller. Sådana tvärvetenskapliga tillvägagångssätt som involverar klimatvetenskapssamhället såväl som experter inom tillämpad matematik, teoretisk fysik och dynamisk systemteori har framkommit för långsamt fram till nu.

Författarna hoppas att granskningen kommer att påskynda denna tendens eftersom den beskriver de matematiska verktyg som behövs för sådant arbete.

Professor Lucarini sa:"Vi presenterar en självständig förståelse av klimatförändringar och klimatvariationer i en väldefinierad sammanhängande ram. Jag tror att det är ett viktigt steg för att lösa problemet, för först och främst måste du posera den korrekt. Så tanken är, om vi använder de konceptuella verktyg som vi diskuterar mycket i vår artikel, vi kanske hoppas kunna hjälpa klimatvetenskap och klimatmodellering att ta ett steg framåt."

Den nya recensionen följer nära en annan tidning Icke-linjäritet .

Denna artikel tittade på att använda komplex matematik för att förbättra förståelsen av tipppunkter i jordsystemet genom begreppet melancholia-tillstånd, och bättre förutsäga förändringar av system som radikalt kan förändra deras tillstånd. Dessa inkluderar ekologiska, biologisk, sociala och andra system.