超級電腦模擬氣候模型,科學家預期北極融冰將導致加州乾旱

作者 | 發布日期 2018 年 02 月 12 日 21:14 | 分類 環境科學 , 軟體、系統 , 電腦 follow us in feedly

大氣科學家 Ivana Cvijanovic 使用電腦模擬氣候模式,發現北極海冰幾乎消失,離美國西海岸數千英里遠的地方形成巨大的高壓系統,高壓脊封鎖前往加州的大型風暴,阻礙降雨。Cvijanovic 的模型顯示,隨著北極的夏季海冰在未來幾十年中消失,預期加州中部平原的農民、內華達山脈滑雪場和全國人口最多的城市可能會大缺水。



麻省理工科技評論(MIT Technology Review)報導,氣候模型通常被認為是「地球複雜系統的不可靠近似值」,但隨著運算能力以及其他技術上的進步,電腦氣候模擬也愈來愈強大。電腦模型可以預測全球暖化以何種方式正在改變地球樣貌,以及未來的發展可能性,同時幫助科學家解開造成極端天氣事件的複雜機制。

Cvijanovic 曾試圖研究融冰與多年來降水變化之間的關聯,但是,電腦模擬標準氣候模式一直有瓶頸,直到核武器研究運算方式加入,才突破過去的限制。

氣候模型是透過軟體模擬,估計地球對各種影響,如二氧化碳排放量大幅增加的反應,科學家使用電腦運算了解各種反應如何隨著時空的波動而變化,以立體網格方框呈現海洋、表面和大氣層狀況。過去幾十年裡,模型的解析度進步很多,模型中包含氣溶膠、海冰、植被和其他相互關聯的因素,每個立體方框所代表的面積從 500 平方公里減少到不到 25 平方公里。

然而,對於所有這些巨大進步,模型預測和現實之間仍有很大的差距。美國能源部所屬勞倫斯利佛摩國家實驗室科學家 Donald Lucas 曾經是實驗室的氣候研究員和核武器建模師,先前曾經參與一項提高氣候模擬結果可信度的 3 年計畫。

自 1992 年以來,美國還沒有對核武器進行過爆炸試驗,因此必須依靠檢查和建模來評估老齡化儲備的可靠性。勞倫斯利佛摩國家實驗室的科學家們長期以來一直使用實驗室的超級電腦,模擬钚等材料的退化,並協助開發運算準確性的新方法。

科學家重複多次模擬程式,稍微調整某些變量以產生一系列可能性。研究人員可以計算某些結果的統計可能性,建立概率的分布。Lucas 決定將相同的方法應用於氣候模型,編寫程式來調整公共氣候模型源代碼中的幾十個參數。

Lucas 團隊利用半數勞倫斯利佛摩實驗室的超級電腦近 3 年時間,在各種氣候情景下進行 10 萬年的模擬。但 2012 年夏天, Lucas 發現這些結果都沒有預測到當年發生的北極海冰大幅消融現象,於是決定針對海冰進行另一個模擬實驗,請教專家了解影響海冰的變數,並改變參數,之後研究團隊就得到更貼近現實的氣候模型。

科學家發現 3 個變數占所有變化的 95%,其中兩個指海冰上的積雪顆粒大小,影響被反射回去的陽光,最後一個被稱為雪的導熱係數,基本上定義熱量可以在冰中移動的速度。這個實驗也為 Cvijanovic 創造一個非常好的工具,來探索她一直在思考的問題,即為什麼北半球的古時期迅速變暖,似乎與熱帶地區降水量急劇下降一致。

Cvijanovic 針對 Lucas 發現的 3 個變數跑了幾十次模型,有時需要整整一星期才能做一個分析,所以這個過程需要幾個月的時間。

她發現由於將熱量反射回太空的冰塊太小,使得該地區穩步升溫,少量額外的熱量到達熱帶地區,但足以引發風和降水的變化,從而改變對流和環流模式。反過來,這又會在大氣中產生大量的高低壓地區,形成一個在北太平洋降落的氣壓脊,引導北部的風暴遠離加州,向阿拉斯加和加拿大前進。

這是一個困難的實驗,取決於多年的氣候模擬科技和技術的同步進步。其他科學家認為還需要更多的工作來檢驗研究結果,並確定其他過程如何放大或減小融化北極海冰的影響,但這項模擬首次提供冰川消融和未來乾旱之間的理論關係。此研究已刊登在《自然通訊》期刊(Nature Communications)。

(首圖來源:Flickr/NOAA Photo Library CC BY 2.0)