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本周,政府间气候变化专门委员会(IPCC)将发布构成其第五次气候变化评估报告的第一份报告

第一份报告“物理科学基础”将涵盖从碳循环到极端天气的大量主题

气候预测也很大程度上依赖于数学数学定义问题,我们使用计算机模型研究它也用于量化不确定性和改进预测数学的作用通过我们不断变化的天气的显着视频来说明上个月国家海洋地球静止作战环境卫星12(GOES-12)退役了地球静止作战环境卫星12(GOES-12),它监测过去10年来我们在美洲以上36,000公里的偏远地区的天气GOES-12已经看到了这一切:来自野火,火山灰,以及干旱造成的景观,飓风艾克,卡特里娜和桑迪,以及紧紧抓住中央美联社的暴风雪在2009-10冬季,NOAA制作了这个视频 - 187秒,3641张图片 - 从其使用寿命的每一天开始拍摄一张快照,相当于10年的天气在3分钟之前在我们的眼前闪烁它是戏剧性的令人惊讶的是:在“科学美国人”中,伊芙琳·兰姆评论了视频如何突出“天气的不可预测性与其重复性之间的紧张关系”即使在几秒钟之后,很明显云层所揭示的模式因地球的一部分而异

高耸的积雨云每天在热带地区起泡并释放雷暴,而在更温和的中纬度地区,无处不在的低压系统旋转穿越大西洋,带着它们的温暖和寒冷的前线到欧洲偶尔的飓风,在热带地区产生,从事事业的发展美国(飓风桑迪可以在大约2'50''看到)但是这场混乱是精心策划的:飓风几乎看起来像一连串的涟漪或波浪,紧随其后高耸的风暴主要限制在热带地区大气中的水蒸气显示出漩涡旋风和热带风暴虽然细节每小时不同,但每天都有不同的图案(GOES-13)由NEODAAS /邓迪大学提供事实上,这部电影让我们看到了一个非凡的世界 - 它是对“天气吸引者”的过山车“吸引子”是数学家在复杂情况下表现反复行为的方式系统,例如我们的氛围下图中可以看到一个熟悉的吸引子图例,它以混沌之父Edward Lorenz Lorenz吸引子的名字命名:坐标轴描绘的空间内的每个点代表一个循环流体的可能状态,由暖空气的上升定义,以及较暖的上升空气与较冷的下降空气的温差

“蝴蝶翅膀”上的点是吸引力或者:它们代表系统将在其周围发展的一组状态即使系统从一个不在吸引子上的状态开始,它也倾向于从吸引子的一个翼到另一个翼的过渡状态(这个状态)由于系统固有的混乱,可能难以预测可能代表“天气”的变化)但整体模式捕捉重复性不可能用简单的三维图像来说明大气的天气吸引子:Lorenz非常简单的循环细胞模型只有三个变量我们在气候预测中使用的现代计算机模型有大约1亿个变量,因此吸引子存在于我们甚至无法开始可视化的空间中这就是为什么NOAA制作的电影是如此有价值:它给我们生动的印象,即从复杂,混乱的行为中产生的重复性

天气预报员试图预测我们的大气层是如何演变的以及它是如何移动的在吸引子周围 - 这是一项非常困难的任务,需要我们在试图提前几天估计天气时探索许多可能的结果(称为预测集合)但气候科学家面临着一个非常不同的问题:而不是试图弄清楚在100万维吸引子上的哪一点代表了从现在起100年后的天气,他们试图弄清楚吸引子的形状是否在变化 换句话说,随着平均天气变化,蝴蝶翅膀“折叠”了吗

这是数学家量化气候变化的方式如果100年后,当GOES-12的遥远继任者退休时,我们的后代会制作一部关于这种未来天气的电影,他们会看到相同的复兴行为模式,还是会有更多飓风

旋风波会跟随不同的轨道吗

热带风暴会更激烈吗

数学使我们能够“捕捉模式”,即使混乱阻止我们准确地说出会发生什么,并且回答这些问题我们必须计算天气吸引子如何变化为了进一步了解天气和气候预测背后的数学,请参阅我们的新书“风暴中的隐形”:数学在理解天气中的作用

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