復雜性科學如何快速檢測異常氣候記錄？

我們的氣候歷史是用冰寫的。解讀從南極地表下數(shù)千年積累的同位素中提取的復雜信號是一個問題。

當了解冰芯中包含的海量信息時，科學家們面臨著法醫(yī)面臨的挑戰(zhàn)：如何有效地將有用的信息與腐敗分開。

發(fā)表在《熵》雜志上的一篇新論文展示了信息論(復雜科學的一個分支)的工具如何快速找到一些需要進一步研究的數(shù)據(jù)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

圣達菲研究所的數(shù)學家約書亞加蘭(Joshua Garland)說：“有了這種數(shù)據(jù)，我們得到正確數(shù)據(jù)的機會有限?！彼褂昧藖碜阅蠘O冰蓋冰芯分裂的6.8萬年數(shù)據(jù)?！疤崛”吞幚頂?shù)據(jù)需要數(shù)百人，需要大量的處理和分析。由于資源限制，復制核心很少?！?

當加蘭和他的團隊獲得這些數(shù)據(jù)時，從最初鉆取冰芯到發(fā)布其中包含的數(shù)據(jù)集已經(jīng)過去了10多年。從2007年到2012年，美國國家科學基金會資助的幾所大學的團隊提取了兩英里長的冰芯。從南極洲西部的野外營地，將冰芯打包，然后運送到科羅拉多州的國家科學基金會冰芯設(shè)施，最后運送到科羅拉多大學。在北極和阿爾卑斯研究所的穩(wěn)定同位素實驗室，一個最先進的處理設(shè)備幫助科學家從冰中提取水的同位素記錄。

結(jié)果是高分辨率的復雜數(shù)據(jù)集。與之前每5厘米分析一次的冰芯數(shù)據(jù)相比，WAIS Divide芯允許以毫米分辨率進行分析。

科羅拉多大學博爾德分校的古氣候?qū)W家泰勒瓊斯說：“過去十年冰芯研究的一個令人興奮的事情是，我們開發(fā)了這些實驗室系統(tǒng)來分析高分辨率的冰。“很久以前，我們分析氣候的能力是有限的，因為我們無法獲得足夠的數(shù)據(jù)點，或者我們可能花費太長時間。這些新技術(shù)給了我們數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點，如果我們的(數(shù)據(jù))處理沒有一些新進展，這些數(shù)據(jù)點很難管理和解釋。”

在之前的核心中，加蘭指出，幾十年甚至幾個世紀以來，它們被合并成一個點。相比之下，WAIS數(shù)據(jù)有時每年提供40多個數(shù)據(jù)點。但是，隨著科學家開始在更短的時間尺度上分析數(shù)據(jù)，即使是微小的異常也可能導致問題。

Garland指出：“隨著細粒度數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，可以進行細粒度的分析。“但這也使得分析容易受到細粒度異常的影響?！?

為了快速確定哪些異常需要進一步調(diào)查，該團隊使用信息論技術(shù)來測量時間序列中每個點的復雜性。復雜性的突然激增可能意味著有重大和意想不到的氣候事件，例如超級火山，或者數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)處理管道的問題。

伊麗莎白大學的計算機科學家伊麗莎白布萊德利說：“如果不對數(shù)據(jù)進行高度詳細和精細的逐點分析，這種異常將是看不見的，人類專家需要幾個月才能完成。科羅拉多州博爾德和圣達菲研究所的外聘教授。“雖然信息論不能告訴我們異常的根本原因，但我們可以利用這些技術(shù)來快速標記應(yīng)該由古氣候?qū)＜艺{(diào)查的數(shù)據(jù)集?！?

她將冰芯數(shù)據(jù)集與返回100萬頁的谷歌搜索進行了比較。布拉德利說，“并不是你不能瀏覽數(shù)百萬頁。”“但是想象一下，如果你有一種技術(shù)可以指向那些潛在的有意義的技術(shù)？”當分析大型真實數(shù)據(jù)集時，信息論可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的差異，這表明處理錯誤或重大氣候事件。

在他們的熵論文中，科學家詳細介紹了他們?nèi)绾问褂眯畔⒄搧碜R別和修復原始冰芯中有問題的數(shù)據(jù)。他們的研究最終促成了對檔案冰芯的重新取樣——迄今為止最長的高分辨率冰芯重新取樣。當冰的那部分被重新取樣和再加工時，研究小組能夠解決大約5000年前熵的異常峰值。

“讓這個區(qū)域變得正確非常重要，”加蘭指出，“因為它包含了人類文明曙光帶來的氣候信息?！?

瓊斯說：“我認為氣候變化是人類面臨的最緊迫的問題，而冰核無疑是地球氣候最優(yōu)秀的記錄，可以追溯到幾十萬年前?！靶畔⒄搸椭覀冞^濾數(shù)據(jù)，以確保我們向世界推出的產(chǎn)品絕對是我們能做的最好、最確定的產(chǎn)品。”

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