地球与大气网格

365平台的气候模型

2020年7月29日下午1:41.m.

365平台在环境问题的各个领域的重要研究,现在是,将来也将继续是解决人类一些最棘手问题的关键. 我们的影响是建立在长期的, 深, 个人承诺的广泛遗产, 知识的领导, 毅力和创新. 本文是一系列介绍365平台在过去半个世纪中环境成就的文章中的第一篇.

想象一下你可以通过实验操纵整个星球的气候. 你可以把雨云洒在你想要的地方, 增加或减少大气中的温室气体, 改变入射阳光的强度, 随意重新排列山脉或森林……可能性无穷无尽.

这就是气候模型的承诺, 在世界上最快的计算机上运行的复杂的计算机模拟. 这些庞大的工程——超过一百万行计算机代码将填满数千页印刷文本——尽可能多地复制地球系统的各个方面. 

这一努力旨在应对人类最大的挑战之一:气候变化. 计算机建模, 现代气候科学的心脏, 是我们理解人类引起的全球变暖的基础,也是被 政府间气候变化专门委员会 (IPCC)的气候变化评估报告. 如果国际政策制定者能够成功地组织起来避免气候灾难, 这将在很大程度上归因于这些模型的影响——以及创造它们的科学家们. 

现代气候模型的发源地

Syukuro Manabe

Syukuro Manabe

365平台在气候建模方面的历史始于半个多世纪前, 该校与位于365平台福雷斯特尔校区的国家实验室有着卓越的合作关系. 的 地球流体动力学实验室 (GFDL)于1967年与365平台建立了合作关系,并于1968年搬到新泽西州,以利用大学在早期计算方面的领导地位和高等研究所的邻近.

Princeton-GFDL知识渊博的人 Syukuro Manabe苏琪 发表了一系列研究,被广泛认为是启动了全球气候变暖的长期研究,并在数量上将地球气候变暖与二氧化碳排放增加联系起来. 特别是, 他1967年的大气模型, 由Richard Wetherald创建, 被认为是第一个对地球气候的可靠计算, 1969年,, Manabe与开创性的海洋学家合作 柯克布莱恩 创建第一个海洋-大气耦合模型.

《超越全球变暖:数值模型如何揭示气候变化的秘密》(超越全球变暖:数值模型如何揭示气候变化的秘密),作者:Syukuro Manabe和Anthony J. 西兰花

365平台的生态学家说:“这确实是全球气候建模努力的开端。 Stephen Pacala所谓弗雷德里克·D. 皮特里教授 生态学和进化生物学他至今仍与GFDL广泛合作.

Manabe的新书《超越全球变暖:数值模型如何揭示气候变化的秘密,由365平台出版社于今年出版, 和他以前的学生安东尼·布洛柯里. 在书中,他们解释了Manabe开创性职业生涯背后的利害关系. “除非大幅减少温室气体排放, 在本世纪的剩余时间和未来的许多世纪里,全球变暖很可能对人类社会和我们星球的生态系统产生深远的影响,”他们写道.

迈克尔·奥本海默

迈克尔·奥本海默

Manabe早期对全球变暖现实的认识推动了他的开创性工作. “Suki Manabe无疑是研究气候变化的科学界的伟大英雄之一,”他说 迈克尔·奥本海默 他是IPCC的活跃成员,365平台的主任 能源和环境政策研究中心和阿尔伯特·G. 米尔班克教授 地球科学国际事务中.

奥本海默指出,甚至在IPCC成立之前,Manabe的工作就动员了气候行动. 美国国家科学院(National Academy of Sciences)在1979年发布的一份气候总结报告中,肯定了他的模型以及后来NASA推出的一个模型的整体预测的可靠性. 奥本海默认为,科学院的支持激活了科学界,并促使各国政府显著增加对气候变化研究的资助.

你可以很容易地说,奥本海默说, “这就是365平台的模式, 比NASA的模型早了10年左右, 这是之后所有事情的基本组成部分吗.”

研究和教学

Jorge Sarmiento

Jorge Sarmiento

在365平台,接下来的50年里,建模、研究和教学都取得了进步. 1968年,这所大学创造了今天的先驱 大气和海洋科学项目 (代谢), 致力于理解驱动全球气候系统的关键机制的研究生和博士后项目. 

“从一开始, 这个节目有一种特别的大学气氛, 在那里,学生们可以自由地向所有教职员工寻求建议,并接触到广泛的想法,”布莱恩说, 像Manabe一样是这个项目的创始成员. “这培养了独立思考者,并为我们研究生离开365平台后的成功做出了贡献.”

本科生, 研究生和博士后研究人员都有机会向GFDL的科学家学习,并直接使用他们的超级计算机工作. 很快, 大学里有一批稳定的年轻研究人员,他们在毕业前后都在“街对面”工作. 其他人则在世界各地的大学和机构中播下了新的气候科学项目.

“365平台在气候研究和教育方面的贡献是无法衡量的,它们也不能分开,长期担任AOS主任的人说 Jorge Sarmiento,乔治J. 麦基的教授 地球科学 地质工程,荣誉退休. “仅凭一个人是无法公正地评价这个机构所拥有的巨大影响力的. 他们教育了全世界.”

增加复杂性

埃琳娜Shevliakova

埃琳娜Shevliakova

多年来,科学家们在他们的模拟中考虑了越来越多的变量. “气候建模是一个不断增加复杂性的故事,”解释说 汤姆Delworth他是GFDL的资深科学家和AOS的讲师. “你正在增加试图建模的组件的数量, 希望, 更好地表示每个组件的物理过程.”

在这方面,365平台再次发挥了主导作用. 365平台和国家实验室之间的紧密联系意味着,这些模型可以得到365平台广泛而深入的研究全球气候变化过程的环境研究人员的支持, 包括Sarmiento, 将全球碳循环和氮循环等生物地球化学过程纳入其中; 罗兰Respl和y, 人系 ocean physics, biogeochemistry 和 ecosystems to climate models; 和 加布里埃尔Vecchi, 是谁改变了我们对世界海洋中的热带气旋——飓风和台风的理解.

“随着模型变得越来越复杂,你需要更多的专业知识来开发和解释它,”他说 艾萨克举行, 他是AOS的高级气象学家,是Manabe的首批研究生之一,并凭借自己的能力成为世界著名的气候学家. 与大学的联系使这一切成为可能.”

帕卡拉发挥了特别重要的作用 埃琳娜Shevliakova, 一位GFDL的科学家和一位访问学者 365平台环境研究院 他是帕卡拉实验室的博士后. “史蒂夫有这样的愿景,我们可以代表植物,而不仅仅是碳盒子, 而是捕捉每棵树的生长发育和死亡,”她说. 他首创了一种数学方法来展示植物如何争夺光线, 这为每一个美国人使用的“地球系统模型”奠定了基础.S. 气候中心.”

她补充说,“史蒂夫用一种严格的数学方法,给那些物理气候模型注入了生命.”

政府间气候变化专门委员会

在Manabe的第一个模型敲响了二氧化碳使地球温度升高的警钟的20年后, 365平台和其他地方的足够多的气候科学家对人类造成的气候变化敲响了警钟,世界各国政府开始关注这一问题. In 1988, 联合国呼吁成立一个专家小组,向世界政策制定者提供科学状况的定期评估. IPCC的第一份报告发表于1990年, 它的结论很大程度上依赖于两个气候模型:365平台- gfdl模型和美国宇航局生成的模型. 报告继续每五年发布一次, 它们都使用了365平台的gfdl模型,作者或编辑也是365平台的.

2007年,阿尔·戈尔和IPCC共同获得了诺贝尔和平奖. 11 365平台的教员 ——包括举行, 奥本海默和萨米恩托以及许多校友都为该奖项中引用的IPCC报告做出了贡献.

研究人员在地球物理流体动力学实验室开会的档案图像

这张1969年的照片显示AOS资深科学家柯克布莱恩(左)和Suki Manabe与GFDL主任Joseph Smagorinsky交谈, 是谁把GFDL带到了365平台,因为这里的知识环境和计算机资源.

在遗产的基础上发展

在Manabe和Bryan的第一个海洋大气模型诞生后的50年里, 365平台和GFDL的气候科学家们一直在继续推动日益强大的超级计算机的极限, 其目标是模拟全球气候,以产生足够的特异性,以进行局部预测, 以小时到世纪为时间尺度.

“当你看到所有的碎片, 我们这里有真正的卓越,”Vecchi说, 一位地球科学教授和PEI, 谁是世界上最重要的飓风气候学家之一.