復(fù)雜性科學(xué)如何快速檢測(cè)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(fù)雜信號(hào)是一個(gè)問題。

當(dāng)了解冰芯中包含的海量信息時(shí)，科學(xué)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(fù)雜科學(xué)的一個(gè)分支)的工具如何快速找到一些需要進(jìn)一步研究的數(shù)據(jù)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

圣達(dá)菲研究所的數(shù)學(xué)家約書亞加蘭(Joshua Garland)說(shuō)：“有了這種數(shù)據(jù)，我們得到正確數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)有限?！彼褂昧藖?lái)自南極冰蓋冰芯分裂的6.8萬(wàn)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(fù)制核心很少?！?

當(dāng)加蘭和他的團(tuán)隊(duì)獲得這些數(shù)據(jù)時(shí)，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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的幾所大學(xué)的團(tuán)隊(duì)提取了兩英里長(zhǎng)的冰芯。從南極洲西部的野外營(yíng)地，將冰芯打包，然后運(yùn)送到科羅拉多州的國(guó)家科學(xué)基金會(huì)冰芯設(shè)施，最后運(yùn)送到科羅拉多大學(xué)。在北極和阿爾卑斯研究所的穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)最先進(jìn)的處理設(shè)備幫助科學(xué)家從冰中提取水的同位素記錄。

結(jié)果是高分辨率的復(fù)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(jìn)行分析。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校的古氣候?qū)W家泰勒瓊斯說(shuō)：“過去十年冰芯研究的一個(gè)令人興奮的事情是，我們開發(fā)了這些實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)來(lái)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?yàn)槲覀儫o(wú)法獲得足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，或者我們可能花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間。這些新技術(shù)給了我們數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果我們的(數(shù)據(jù))處理沒有一些新進(jìn)展，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)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(gè)世紀(jì)以來(lái)，它們被合并成一個(gè)點(diǎn)。相比之下，WAIS數(shù)據(jù)有時(shí)每年提供40多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。但是，隨著科學(xué)家開始在更短的時(shí)間尺度上分析數(shù)據(jù)，即使是微小的異常也可能導(dǎo)致問題。

Garland指出：“隨著細(xì)粒度數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，可以進(jìn)行細(xì)粒度的分析?！暗@也使得分析容易受到細(xì)粒度異常的影響?！?

為了快速確定哪些異常需要進(jìn)一步調(diào)查，該團(tuán)隊(duì)使用信息論技術(shù)來(lái)測(cè)量時(shí)間序列中每個(gè)點(diǎn)的復(fù)雜性。復(fù)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(jí)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(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家伊麗莎白布萊德利說(shuō)：“如果不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度詳細(xì)和精細(xì)的逐點(diǎn)分析，這種異常將是看不見的，人類專家需要幾個(gè)月才能完成?？屏_拉多州博爾德和圣達(dá)菲研究所的外聘教授?！半m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(lái)快速標(biāo)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(wàn)頁(yè)的谷歌搜索進(jìn)行了比較。布拉德利說(shuō)，“并不是你不能瀏覽數(shù)百萬(wàn)頁(yè)?！薄暗窍胂笠幌拢绻阌幸环N技術(shù)可以指向那些潛在的有意義的技術(shù)？”當(dāng)分析大型真實(shí)數(shù)據(jù)集時(shí)，信息論可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的差異，這表明處理錯(cuò)誤或重大氣候事件。

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

“讓這個(gè)區(qū)域變得正確非常重要，”加蘭指出，“因?yàn)樗巳祟愇拿魇锕鈳?lái)的氣候信息?！?

瓊斯說(shuō)：“我認(rèn)為氣候變化是人類面臨的最緊迫的問題，而冰核無(wú)疑是地球氣候最優(yōu)秀的記錄，可以追溯到幾十萬(wàn)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(duì)是我們能做的最好、最確定的產(chǎn)品?！?

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