Ian N. Williams is onderzoekswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), waar hij hoofdonderzoeker is in een programma genaamd Land-Atmosphere Coupling and Convection in the Water Cycle.

Breder, zijn onderzoek omvat vele draden binnen de wereld van de atmosferische wetenschap. Tot de eerste-auteurspublicaties van Williams behoren studies over zonnestraling en wintertarwe, polaire draaikolkgebeurtenissen, en tropische convectie en wolken - een terugkerende interesse sinds het afronden van zijn proefschrift over dat onderwerp aan de Universiteit van Chicago (Ph.D., 2012).

De laatste tijd, echter, Williams besteedt veel van zijn tijd aan het project land-atmosfeer interacties, die wordt gesponsord door Atmospheric System Research (ASR), een programma van het Amerikaanse ministerie van Energie. (Op de LBNL-website, zijn ASR-project wordt gecombineerd met een ander over stralingsforcering.)

Land-atmosfeer-interacties werden eerder geleid door senior wetenschapper Margaret Torn, met wie Williams en zeven andere onderzoekers werken in het programmadomein Biosphere-Atmosphere van Torn. Dat is een tak van de afdeling Klimaat- en Ecosysteemwetenschappen van LBNL. Naast ASR-onderzoek, het raakt aan klimaatmodellering en terrestrische ecosysteemwetenschap.

Onder andere bezigheden, Williams en zijn projectteam werken aan manieren om voorspellende aardsysteemmodellen te verbeteren door voorstellingen van de manier waarop landprocessen (inclusief koolstof, water, en energiecycli) koppelen aan wolken, straling en neerslag.

"De landoppervlakken hebben invloeden op het klimaat die we goed moeten krijgen, " hij zegt.

Bladgebied Index

Gedeeltelijk, om die invloeden goed te krijgen, moet je letterlijk in het onkruid gaan. Dat is, de rol van vegetatie in land-atmosfeer-interacties begrijpen - of, algemener, zijn rol in de waterkringloop.

Eerder, men dacht dat bodemvocht de belangrijkste oorzaak was van variaties in de verdampingsfractie, een verhouding die meet hoe energie wordt "verdeeld" over landoppervlakken tussen latente en voelbare warmte. Het kan worden gebruikt om de dagelijkse energiebalans af te leiden, een belangrijke parameter in klimaatmodellen.

Williams hield ooit een lezing met de titel "Het land terugzetten in land-atmosfeerinteracties, " het punt is, hij zegt, "dat je, zonder rekening te houden met vegetatie, de interacties niet echt begrijpt."

In een paper uit 2015 dat Williams 'fundamentele, Hij en Torn pleiten voor een nieuwe maatstaf die voornamelijk draait om de bladoppervlakte-index (LAI) en de opname van koolstofdioxide in plaats van bodemvocht als correlaat van de verdampingsfractie.

LAI wordt gebruikt om het bladerdak van planten te kwantificeren. Het is ook nuttig bij het voorspellen van verdamping, die de energiebalans van het landoppervlak beïnvloedt.

"We hebben opnieuw bekeken wat de oppervlaktewarmtestroom regelt, " zei Williams van de krant, en ontdekte "dat het wordt beïnvloed door meer dingen dan bodemvocht, inclusief transpiratie en fotosynthese.

Williams was ook hoofdauteur van een vervolgdocument uit 2016 met Torn en anderen. Ze testten het LAI-idee in een versie van het Community Earth System Model van het National Center for Atmospheric Research en toonden aan dat een betere weergave van vegetatie de voorspellende scherpte van het model met betrekking tot temperatuur en neerslag verbeterde.

Verbeteringen in landoppervlakmodellen, zij concludeerden, kan de voorspelling van klimaatextremen verbeteren.

"Modellen zijn te strak beperkt door bodemvocht" alleen, zegt Willems, "wat gevolgen heeft voor de klimaatvoorspelling."

Voor een, hij zegt, als de verdamping van vocht van het oppervlak "onterecht laag is, dat kan leiden tot voorspellingsbias, (inclusief) temperaturen die te warm zijn."

Het volgende verwante Williams-Torn-papier, nu in overzicht, kijkt meer specifiek naar de effecten van dit nieuwe modelschema op voorspellingen van convectieve wolken en neerslag op seizoensschalen.

Koolstoffluxen interpreteren

Williams zat nog op de graduate school toen hij gedurende twee zomers (2006 en 2009) hij werkte bij LBNL als onderzoeksassistent. Verscheurd was daar, samen met twee andere wetenschappers die toekomstige co-auteurs zouden zijn:terrestrische ecosystemen-expert William Riley en Sebastien Biraud, wiens specialiteit het observeren en meten van atmosferische sporengassen is.

"Daar heb ik echt geleerd over de koolstofcyclus en over het omzetten van fotosynthese in aardesysteemmodellen, " zegt hij. "Ik had het geluk om die blootstelling al vroeg te hebben."

Williams keerde terug als postdoctoraal onderzoeker (2012-2016) na zijn Ph.D. werken aan tropische convectie. Maar hij bracht nog iets anders mee van de afdeling Geofysische Wetenschappen van de Universiteit van Chicago:een waardering voor interdisciplinair werk.

Zijn proefschriftadviseur, Raymond Pierrehumbert, nu hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Oxford, "heeft me geleerd hoe belangrijk het is om na te denken over het klimaat als een gekoppeld systeem, " zegt Willems, "en hoe fout kun je zijn als je geen systeembenadering volgt en in plaats daarvan naar één component instraling kijkt. Het is dit systeemperspectief dat interdisciplinair werk voor mij zo belangrijk maakt."

Terwijl Williams die les volgde als een Ph.D. student, hij cultiveerde ook een interesse in problemen in de geologie en het paleoklimaat.

"Je kunt geologie niet scheiden van biologie op deze tijdschalen, " hij zegt, "en dat was altijd in mijn gedachten daar - het belang van biologie."

Land-oppervlak modellen, Opnieuw

Die brede intellectuele ervaring tijdens Ph.D. studies hebben Williams heel goed voorbereid - niet alleen voor de problemen waarmee hij kennismaakte bij LBNL (interpretatie van sporengassen en koolstoffluxen) - maar ook voor een overgang naar wat hij 'de derde generatie landoppervlakmodellen' noemt.

Die overgang begon rond 2005, zegt Willems. "Het was de eerste keer dat planten op een mechanistische manier werden opgenomen in klimaatmodellen, rekening houdend met gekoppelde koolstof- en watercycli, " dankzij het pionierswerk van Joseph Berry, een expert in biosfeer-atmosfeer interacties nu bij de Carnegie Institution for Science. (Williams had contact met hem tijdens zijn eerste zomer in Torn's lab in 2005.)

Zelfs vandaag, hij voegt toe, "Dit soort modellen zijn vrij nieuw. We hebben nog niet alle onzekerheden en gevolgen voor het klimaat onderzocht."

Nog altijd, het is onmogelijk om het klimaat te scheiden van de koolstofcyclus op tientallige schalen.

"Het is een noodzakelijk perspectief, " zegt Williams - een erkenning, voor een, dat bossen na verloop van tijd kunnen instorten in graslanden, "wat een eerste-orde-effect zou hebben op de watercyclus. Atmosferische modellen die we ontwikkelen, moeten bestand zijn tegen die veranderingen. We kunnen de modellen niet alleen afstemmen op het huidige landoppervlak."

Het is belangrijk werk.

"Het simpele feit is dat het klimaat wordt beïnvloed door het landoppervlak vanwege de stromen van water en energie op het grensvlak land-atmosfeer, " zegt Williams - in een samenspel van bodemvocht, plantensoorten, en de hoogte van het bladerdak, die centimeters tot honderden meters kan zijn.

Al deze interacties maken ook deel uit van het convectieve cloud-parameterprobleem.

"Convectie is het resultaat van een reeks, een keten van processen, "zegt hij. "Het is belangrijk om elke schakel in deze ketting goed te krijgen."

Kijken naar het weer

Rond de tijd dat hij naar de middelbare school ging, Williams en zijn familie verhuisden van de buitenwijken van Philadelphia (waar hij de epische Blizzard van 1993 meemaakte) naar de buitenwijken van Kansas City, Kansas, "waar slechts een paar maanden nadat we daar aankwamen, de tornado-sirenes gingen af. Het weer was echt anders."

Toen de eerste stormcel over zijn stad ging, Williams schuilde in een kelderkamer waar hij het drama op een oude zwart-wit-tv zag gebeuren. "Ik herinner me nog hoe de radarecho eruit zag, " hij zegt.

Mensen in Kansas kennen het weer, geef er om, let erop, en ken het jargon, hij zegt. "Low-level jets, convectieve systemen. Mensen zijn behoorlijk goed geïnformeerd."

Al snel was Williams dat ook. Op 15-jarige leeftijd volgde hij de gegevens van de National Weather Service en las hij online discussies over technische voorspellingen en bladerde hij door studieboeken naar termen die hij niet kende.

Tegen zijn tweede jaar, Williams was numerieke weergegevens aan het downloaden, het scannen van seizoensgebonden weersvoorspellingen, en onderzoeken, in een El Niño-jaar, de effecten van de temperatuur van het oceaanoppervlak op het klimaat.

"Ik raakte meer in het algemeen geïnteresseerd in wetenschap door mijn interesse in atmosferische wetenschap, "zegt hij over zijn middelbare schooltijd. "Daarna, Ik nam natuurkunde serieuzer. Ik nam wiskunde serieuzer."

Willems, een pianiste, begon aan de universiteit van Kansas om muziek te studeren. Maar later, aangetrokken om atmosferische wetenschap te studeren, hij stapte over naar Cornell University (BS 2005, MEVROUW. 2007).

"De passie voor het begrijpen van het weer en het klimaat was iets waar ik steeds op terugkwam, " hij zegt.

'De complexiteit omarmen'

Aan de Universiteit van Chicago, Williams heeft veel terrein - en zee - behandeld in zijn promotieonderzoek. Hij keek naar twee problemen:het stralingseffect van convectieve wolken in de tropen ("een enorme zorg voor klimaatprojectie, " zegt hij) en de koppeling tussen het oceaanoppervlak en de energiebalans van de aarde.

Vandaag bij LBNL, de nabije toekomst omvat "het omarmen van de complexiteit, ", zegt Williams. Dat omvat het combineren van waarnemingsgegevens met atmosferische modellen met een hoge resolutie die zijn gekoppeld aan landoppervlakmodellen - allemaal om de interactie met wolken op een experimentele manier te onderzoeken, " hij zegt.

Is er leven voor hem buiten de wetenschap?

Soms, zegt Willems. Hij maakt graag dagtochten met zijn vrouw en leest - de laatste tijd - over andere wetenschappers, waaronder Nobelprijswinnaar Ernest O. Lawrence, de oprichter van LBNL.

Eén boek lanceerde wat hij 'mijn huidige leesprogramma' noemt:het verhaal uit 2007 van dendrochronoloog Edmund Schulman, die klimaatrecords ontwikkelde van oude borstelkegeldennen. (Sommige zijn ruim boven de 4, 000 jaar oud.)

Zijn laatste uitstapje naar de krant was "The Brothers Vonnegut:Science and Fiction in the House of Magic, " een dubbele biografie van cloudwetenschapper Bernard Vonnegut en romanschrijver Kurt Vonnegut Jr.

"Het is interessant, hun verhalen lezen, ", zegt Williams van collega-wetenschappers. "Een deel ervan herken ik - de moeilijkheden van een wetenschappelijke carrière en hoe ze hun weg hebben gevonden."