国际看点 2023-01-30 08:29

为数不多的高产渔业为10亿人提供了食物,并雇佣了数千万人。这些渔场分布在世界海洋的东部边缘——美国西海岸、加那利群岛、秘鲁、智利和本格拉。在那里,一个被称为上升流的过程将冷水和营养物质带到水面,这反过来又支持了大量人类赖以生存的大型海洋生物。

德克萨斯农工大学的研究人员领导的一个新项目正在试图了解气候和海洋的变化将如何影响美国和世界各地的渔业。

“我们感兴趣的是气候变化将如何改变上升流,以及未来渔业的可持续性将如何受到影响,”德克萨斯农工大学(TAMU)海洋学路易斯和伊丽莎白·谢克(Louis & Elizabeth Scherck)主席Chang Ping说。“事实证明,当我们提高气候模型的分辨率时,我们发现上升流模拟变得更加接近现实。”

该项目由美国国家科学基金会(NSF)资助,旨在开发中长期渔业预测,由一些有史以来最高分辨率的耦合气候预测驱动。它是融合加速器第一阶段的16个项目之一,旨在解决“蓝色经济”——可持续利用海洋资源促进经济增长。融合项目整合了来自不同科学学科的学者。

由海洋学家皮尔斯·查普曼(Piers Chapman)领导的TAMU团队包括计算气候建模师、海洋生物地球化学建模师、渔业建模师、决策支持系统专家以及来自学术界、联邦机构和工业界的风险沟通学者。

国家大气研究中心(NCAR)的Chang和Gokhan Danabasoglu领导了这项研究的气候模拟部分。他们使用德州高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机——美国最快的学术超级计算机——为他们的研究提供动力。

在20世纪90年代,海洋生物学家安德鲁·巴昆提出,气候变暖将增加东部边界地区的上升流。他推断,由于陆地变暖的速度比海洋快,陆地和海洋之间的温度梯度会产生更强的风,从而使上升流更强。然而,最近的历史数据表明,事实可能恰恰相反。

Chang说:“过去写的很多论文都使用了粗糙的分辨率模型,这些模型不能很好地解决上升流。”“到目前为止,高分辨率模型预测了大多数地区的上升流,而不是增加。这些模型预测这些水域的温度会变暖,而不是变冷。在智利和秘鲁,变暖相当显著——在最坏的情况下变暖2-3ºC,也就是一切照旧。这对上升流来说可能是个坏消息。”

上升流发生的区域非常狭窄和局部性,但上升流对海洋生态系统的影响非常大。例如,东太平洋的上升流只有大约100公里宽。政府间气候变化专门委员会(IPCC)使用的气候模型分辨率为100公里,因此只能为上升流区域提供一个数据点,远远不足以准确预测未来的变化。

另一方面,Chang和他的同事使用的模型在每个方向上使用10公里的分辨率。这些模型的分辨率是IPCC模型的100倍,并且需要大约100倍的计算能力。

Chang的研究依赖于两组独立但相关的模拟。第一组涉及高分辨率耦合地球系统模型的集成(相同的模型运行时出发点略有不同,以产生统计上有效的结果)。第二种方法结合大气中观测到的数据,生成真实的海洋状态,然后用于初始化模型预测。从1982年开始,它将进行五年的回顾性预测,以确定该模式在预测上升流影响方面的技巧。

Chang说:“你能做出的预测是有限的。”“超过一定的时间限制,模型不再有技能。五年后,我们的模型仍然显示出有用的技能。”

该团队于2023年1月在《自然》杂志的《地球与环境通讯》上发表了他们的研究结果。

蓝色经济项目延续了TAMU-NCAR团队数十年的努力,升级全球气候模型,使其具有更高的分辨率和更准确的物理精度。该小组使用的模型是IPCC最新报告中包含的少数高分辨率地球系统模型之一,IPCC的一个小组委员会正在对这些模型进行研究。它们代表了全球气候模型的未来。

研究人员认为,在10公里分辨率下,模型有可能真实地生成热带气旋或大气河流等极端天气事件,并更精确地预测特定地区的气候将如何变化。然而,这个分辨率的模型仍然不能解析云,这需要具有几公里分辨率的模型,目前只能集成短期时间尺度,而不是气候时间尺度。

捕获地球系统的努力在不断改进。

TAMU-NCAR项目将是第一个以10公里分辨率将海洋生物地球化学模型和渔业模型纳入地球系统模型的项目之一。

“TACC在为像我们这样的研究人员解决科学基本问题提供资源方面是独一无二的,”Chang说。“我们的目标不是例行的预测。我们想要的是更好地理解当前气候模型中缺失的地球系统动力学,从而使我们的模型和方法更好。没有Frontera,我不知道我们是否能像现在这样进行模拟。它是至关重要的。”