Inzicht in de chaotische variabiliteit van het klimaat en zijn reactie op klimaatverandering zou wetenschappers kunnen helpen om veranderingen die zelfs de meest geavanceerde modellen nog steeds ontgaan, beter te voorspellen.

Een wiskundig raamwerk voorgesteld in het tijdschrift Beoordelingen van Moderne Natuurkunde streeft naar een coherente integratie van de wisselwerking tussen de normale klimaatvariabiliteit, als gevolg van talloze processen die voortdurend plaatsvinden op het land van de aarde, oceanen, en sfeer, en antropogene en natuurlijke invloeden - iets dat nog steeds onvoldoende wordt aangepakt in de huidige klimaatvoorspellingen.

Dit zou nauwkeurigere voorspellingen mogelijk kunnen maken van de meest extreme effecten van door de mens veroorzaakte uitstoot van broeikasgassen en natuurlijke gebeurtenissen, zoals de kantelpunten die samenhangen met het smelten van zee-ijs of onomkeerbare temperatuurveranderingen.

De studie werd geleid door professor Valerio Lucarini van de Universiteit van Reading en collega professor Michael Ghil van de Ecole Normale Supérieure in Parijs, Frankrijk, en de Universiteit van Californië in de VS, en is ondersteund via het EU Horizon 2020 klimaatwetenschappelijk project TiPES (Tipping Points in the Earth System). TiPES wordt gecoördineerd en geleid door het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen, Denemarken.

De aarde verandert met een ongekende snelheid, toch is er nog grote onzekerheid over de gevolgen. Steeds gedetailleerder, op fysica gebaseerde modellen verbeteren gestaag, maar een diepgaand begrip van de aanhoudende onzekerheden ontbreekt nog.

Het nieuwe raamwerk stelt een weg voor om de twee belangrijkste uitdagingen bij het vergroten van dit begrip te overwinnen:het verkrijgen van de benodigde hoeveelheid details in modellen, en nauwkeurig voorspellen hoe antropogene koolstofdioxide de intrinsieke, natuurlijke variabiliteit.

"We stellen ideeën voor om veel effectievere klimaatsimulaties uit te voeren dan de traditionele benadering om uitsluitend te vertrouwen op steeds grotere modellen, " zei professor Valerio Lucarini, van de afdeling Wiskunde en Statistiek aan de Universiteit van Reading, en CEN Meteorologisch Instituut aan de Universiteit van Hamburg, Duitsland.

"We laten zien hoe we veel meer informatie met een veel hogere voorspellende kracht uit die modellen kunnen halen. We denken dat het een waardevol, originele en veel effectievere manier dan veel dingen die worden gedaan."

Modelfouten

De auteurs stellen dat een nieuwe aanpak dringend nodig is, omdat de huidige klimaatmodellen over het algemeen niet slagen in het uitvoeren van twee belangrijke taken.

Eerst, ze kunnen de onzekerheid bij het bepalen van de gemiddelde wereldtemperatuur aan het oppervlak na een verdubbeling van koolstofdioxide in de atmosfeer niet verminderen. Dit getal wordt evenwichtsklimaatgevoeligheid genoemd en werd in 1979 berekend op 1,5-4 graden Celsius. Sindsdien is de onzekerheid toegenomen. Vandaag is het 1,5-6 graden, ondanks tientallen jaren van verbetering van numerieke modellen en enorme winsten in rekenkracht in dezelfde periode.

Tweede, klimaatmodellen hebben moeite om kantelpunten te voorspellen, die optreden wanneer een subsysteem, d.w.z. een zeestroom, een ijskap, een landschap of een ecosysteem verschuift plotseling en onherroepelijk van de ene staat naar de andere.

Dit soort gebeurtenissen is goed gedocumenteerd in historische archieven en vormt een grote bedreiging voor moderne samenlevingen. Nog altijd, ze worden niet met voldoende nauwkeurigheid voorspeld door de geavanceerde klimaatmodellen waarop de IPCC-beoordelingen steunen.

Deze problemen zijn gebaseerd op het feit dat de wiskundige methodologie die in de meeste klimaatberekeningen met hoge resolutie wordt gebruikt, het deterministisch chaotisch gedrag noch de bijbehorende onzekerheden goed reproduceert in de aanwezigheid van tijdsafhankelijke deterministische en stochastische forceringen.

Een chaotische wereld

Chaotisch gedrag is inherent aan het aardse systeem als zeer verschillend fysiek, chemisch, geologische en biologische processen zoals wolkenvorming, afzetting, verwering, oceaanstromingen, windpatronen, vochtigheid, fotosynthese enz. variëren in tijdschalen van microseconden tot miljoenen jaren. Afgezien daarvan, het systeem wordt voornamelijk gedwongen door zonnestraling die van nature varieert in de tijd, maar ook door antropogene veranderingen in de atmosfeer. Dus, het aardsysteem is zeer complex, deterministisch chaotisch, stochastisch verstoord en nooit in evenwicht.

Professor Ghil zei:"Wat we doen is in wezen deterministische chaos uitbreiden naar een veel algemener wiskundig raamwerk, die de tools biedt om de reactie van het klimaatsysteem op allerlei forceringen te bepalen, zowel deterministisch als stochastisch."

De fundamentele ideeën van de voorgestelde aanpak zijn niet geheel nieuw, zoals de wiskundige theorie decennia geleden werd ontwikkeld. Echter, de verdienste van het artikel is om de theorie toegankelijk en bruikbaar te maken voor klimaatonderzoek en om bruikbare tools te bieden voor het verbeteren en testen van klimaatmodellen. Dergelijke interdisciplinaire benaderingen waarbij zowel de klimaatwetenschapsgemeenschap als experts in toegepaste wiskunde betrokken zijn, theoretische fysica en dynamische systeemtheorie zijn tot nu toe te langzaam opgekomen.

De auteurs hopen dat het overzichtsartikel deze tendens zal versnellen, aangezien het de wiskundige hulpmiddelen beschrijft die nodig zijn voor dergelijk werk.

Professor Lucarini zei:"We presenteren een zelfconsistent begrip van klimaatverandering en klimaatvariabiliteit in een goed gedefinieerd samenhangend kader. Ik denk dat dat een belangrijke stap is in het oplossen van het probleem, want allereerst moet je het correct stellen. Dus het idee is, als we de conceptuele instrumenten gebruiken die we uitgebreid bespreken in onze paper, we hopen misschien de klimaatwetenschap en klimaatmodellering te helpen een sprong voorwaarts te maken."

De nieuwe recensie volgt op de voet een ander artikel van het tijdschrift niet-lineariteit .

In dit artikel werd gekeken naar het gebruik van complexe wiskunde om het begrip van kantelpunten in het aardesysteem te verbeteren door het concept van melancholische toestanden, en beter te voorspellen veranderingen in systemen die hun toestand radicaal kunnen veranderen. Deze omvatten ecologische, biologisch, sociale en andere systemen.