气候建模者将海洋生物地球化学和渔业添加到未来上升流的预测中

少数高产渔业为 10 亿人提供生计，并雇用了数千万人。这些渔业发生在世界海洋的东部边缘——西海岸、加那利群岛、秘鲁、智利和本格拉。在那里，一个称为上升流的过程将冷水和养分带到地表，这反过来又支持了人类赖以生存的大量大型海洋生物。

由德克萨斯 A&M 大学的研究人员领导的一个新项目正在寻求了解气候和海洋的变化将如何影响和世界各地的渔业。

“我们对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感兴趣，”德克萨斯 A&M 大学 (TAMU) 海洋学主席 Ping Chang 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接近现实。”

该项目由国家科学基金会 (NSF) 资助，旨在开发中长期渔业预报，由一些有史以来最高分辨率的耦合气候预报推动。它是 16 个 Convergence Accelerator 第一阶段项目之一，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 Piers Chapman 领导的 TAMU 团队包括来自学术界、联邦机构和工业界的计算气候建模师、海洋生物地球化学建模师、渔业建模师、决策支持系统专家和风险沟通学者。

国家大气研究中心 (NCAR) 的 Chang 和 Gokhan Danabasoglu 领导了该研究的气候建模部分。他们使用德克萨斯高级计算中心 (TACC) 的Frontera 超级计算机——最快的学术超级计算机——来推动他们的研究。

在 1990 年代，海洋生物学家安德鲁·巴昆 (Andrew Bakun) 提出气候变暖会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驱动更强的风，从而使上升流更强。然而，最近的历史数据表明，相反的情况实际上可能是常态。

“过去写的很多论文都使用了不能很好地解决上升流问题的粗分辨率模型，”Chang 说。“到目前为止，高分辨率模型预测大部分地区会出现上升流，而不是增加。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，变暖非常显着——在最坏的情况下变暖 2-3ºC，这一切如常。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，但它们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) 使用的气候模型的分辨率为 100 公里，因此只能为上升流区域生成一个数据点，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合(同一模型以略有不同的起点运行以产生统计上有效的结果)。第二个结合大气中的观测数据以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，它将进行五年回顾性预测，以确定模型预测上升流效应的能力。

“你能做出预测的范围是有限的，”Chang 说。“超过一定时间限制，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 Nature's Communications Earth & Environment中报告了他们的结果。

蓝色经济项目延续了 TAMU-NCAR 团队数十年来升级全球气候模型的努力，使它们具有更高的分辨率和物理上的准确性。该团队使用的模型是少数几个高分辨率地球系统模型之一，这些模型包含在最近的 IPCC 报告中，并且正在由 IPCC 小组委员会进行探索。它们代表了全球气候建模的未来。

研究人员认为，在 10 公里的分辨率下，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，以及对特定地区气候变化的更精确预测。然而，该分辨率的模型仍然无法解析云，这需要几公里分辨率的模型，目前只能针对短期而非气候时间尺度进行整合。

捕获地球系统的努力不断提高。

TAMU-NCAR 项目将是首批将海洋生物地球化学模型和渔业模型纳入 10 公里分辨率的地球系统模型的项目之一。

“TACC 在为像我们这样的研究人员提供解决科学基本问题的资源方面是独一无二的，”Chang 说。“我们的目标不是常规预测。我们想要的是更好地了解当前气候模型中缺少的地球系统动力学，以使我们的模型和方法更好。如果没有 Frontera，我不知道我们是否可以进行类似的模拟我们有。这很关键。”