Avertizarea timpurie cu privire la „punctele de basculare” în sistemul climatic

Ne interesează dacă semnalele de avertizare timpurie robuste pot fi furnizate, în principiu, înainte de a ajunge la un punct de vârf al climatului, concentrându-ne pe metodele care urmăresc să detecteze încetinirea critică, ca un precursor al bifurcării. Ca banc de testare, șase seturi de date analizate anterior sunt reconsiderate, trei înregistrări paleoclimate care se apropie de tranziții abrupte la sfârșitul ultimei ere glaciare și trei modele de complexitate diferită forțate printr-o prăbușire a circulației termohaline din Atlantic. Abordările bazate pe examinarea funcției de autocorelare lag-1 sau pe analiza fluctuațiilor de tendințe sunt aplicate împreună și comparate. Sunt examinate efectele agregării datelor, metoda de detenție, lungimea ferestrei glisante și lățimea de bandă de filtrare. Indicatori robusti de încetinire critică se găsesc înainte de evenimentul de încălzire bruscă de la sfârșitul Dryasului Tânăr, dar indicatorii sunt mai puțin clari înainte de încălzirea Bølling-Allerød sau terminarea glaciară în Antarctica. Avertismentele timpurii privind colapsul circulației termohaline pot fi mascate de variabilitatea interanuală determinată de dinamica atmosferică. Cu toate acestea, modurile de degradare rapidă pot fi filtrate cu succes utilizând o lățime de bandă mare sau prin agregarea datelor. Cele două metode au puncte forte și puncte slabe complementare și vă recomandăm să le aplicați împreună pentru a îmbunătăți robustețea avertizărilor timpurii.

O întrebare importantă în prognoza climei este dacă poate fi furnizată vreo avertizare timpurie cu privire la o schimbare a pragului care se apropie sau a unui „punct de basculare” în sistemul climatic, înainte de a fi atins. În lucrările anterioare, au fost identificate o suită de elemente de basculare în sistemul climatic care pot depăși un punct de basculare în condițiile schimbărilor climatice induse de om [1]. Schimbările climatice recente, oarecum abrupte, se adaugă la îngrijorarea colectivă că viitoarele schimbări neliniare mai mari reprezintă un risc semnificativ pentru societăți [2]. În plus, evaluările recente plasează astfel de „discontinuități la scară mare” mai aproape de starea actuală a climei [3]. Prin definiție, astfel de evenimente implică impacturi semnificative asupra societăților sau asupra altor componente vii ale sistemului Pământului. Prin urmare, dacă poate fi atinsă o avertizare timpurie a unui punct de basculare climatică, atunci ar putea fi de o valoare considerabilă pentru societăți, cel puțin pentru a le ajuta să-și construiască o capacitate de adaptare pentru a face față a ceea ce se apropie.

În general, pentru un sistem care se apropie de un prag în care starea sa actuală devine instabilă și face o tranziție către o altă stare, ne putem aștepta să-l vedem devenind mai lent în răspunsul său la mici perturbații [4]. Matematic vorbind, pentru sistemele care pot fi caracterizate că se apropie treptat de un punct de bifurcare (co-dimensiunea 1) în soluțiile lor de echilibru, valoarea lor proprie principală tinde spre zero, indicând o tendință de recuperare infinit lentă din perturbări. Aceasta este denumită „încetinire critică” în teoria sistemelor dinamice. Acest fenomen este cunoscut de mult timp despre [5,6], dar a fost aplicat doar recent dinamicii climatice [7,8].

Au fost sugerate mai multe abordări pentru extragerea semnalului de încetinire critică din datele serii de timp, prin examinarea modificărilor proprietăților spectrale [8], autocorelația [7,9] sau memoria [10] în date. Cu toate acestea, până în prezent, a existat doar o comparație limitată a metodelor de avertizare timpurie aplicate de diferite grupuri [11,12] și o anumită incertitudine cu privire la sensibilitatea lor la alegerile parametrilor utilizați în analizele statistice. Acest lucru ridică problema „alarmelor false” (fals-pozitive), care pot apărea deoarece semnalele interpretate ca indicând apropierea unei bifurcări nu sunt robuste din punct de vedere statistic sau au alte cauze [13].

Există mai multe abordări diferite pentru detectarea încetinirii critice, aplicate anterior independent de subseturi de autori [9,10]. Alți indicatori potențiali ai apropierii pragurilor au fost discutați și aplicați sistemelor ecologice în literatura recentă [11,12]. Acestea includ creșterea variației [18], asimetria [19], corelația spațială [20], varianța spațială [21,22] și asimetria spațială [22]. Potențial, cel mai robust indicator de avertizare timpurie va fi o combinație de proprietăți statistice diferite ale datelor [13].

O altă problemă a oricărui sistem de avertizare timpurie a unui punct de basculanță este cea a „alarmelor ratate” (fals-negative). Acest lucru se datorează faptului că nu toate punctele de vârf ale candidatului pot fi caracterizate prin bifurcații subiacente [1]. De asemenea, tranzițiile bruște induse de zgomot pot avea loc în sistemul climatic fără nicio modificare a proprietăților de stabilitate ale stării climatice inițiale (adică forma potențialului de bază) [13]. Nu se așteaptă ca astfel de evenimente să arate vreo tendință de încetinire critică înainte de o tranziție (spre deosebire de forțarea lentă către un punct de bifurcare). Teoria actuală privind schimbările climatice abrupte în înregistrarea paleoclimată sugerează că evenimentele Dansgaard-Oeschger (DO) din timpul ultimei ere glaciare pot fi caracterizate ca tranziții induse de zgomot [13,23]. Cu toate acestea, există un  oarecare dezacord cu privire la faptul dacă încălzirea de la începutul Bølling-Allerød (BA; DO evenimentul 1) a fost precedată de încetinirea [9] sau nu [13].

În mod clar, nu putem elimina posibilitatea „alarmelor ratate”. Sub viitoarele schimbări climatice, este posibil să apară atât bifurcații, cât și tranziții induse de zgomot. Într-adevăr, pentru sistemele supuse zgomotului care se apropie de un punct de bifurcație, este probabil ca acestea să părăsească starea inițială înainte ca punctul de bifurcare să fie atins.

Referințe

1. Lenton T. M., Held H., Kriegler E., Hall J., Lucht W., Rahmstorf S., Schellnhuber H. J.2008Tipping elements in the Earth’s climate system Proc. Natl Acad. Sci. USA 1051786–1793. 10.1073/pnas.0705414105 (doi:10.1073/pnas.0705414105) [PMC free article] 2. Allison I., et al. The Copenhagen Diagnosis: updating the world on the latest climate science. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier; 2011.
3. Smith J. B., et al.2009Assessing dangerous climate change through an update of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ‘reasons for concern’ Proc. Natl Acad. Sci. USA 1064133–4137. 10.1073/pnas.0812355106 (doi:10.1073/pnas.0812355106) [PMC free article] 4. Scheffer M., et al.2009Early warning signals for critical transitions Nature 46153–59. 10.1038/nature08227 (doi:10.1038/nature08227)
5. Wiesenfeld K., McNamara B.1986Small-signal amplification in bifurcating dynamical systems Phys. Rev. A 33629–642. 10.1103/PhysRevA.33.629 (doi:10.1103/PhysRevA.33.629)
6. Wissel C.1984A universal law of the characteristic return time near thresholds Oecologia 65101–107. 10.1007/BF00384470 (doi:10.1007/BF00384470)
7. Held H., Kleinen T.2004Detection of climate system bifurcations by degenerate fingerprinting Geophys. Res. Lett. 31L23207. 10.1029/2004GL020972 (doi:10.1029/2004GL020972)
8. Kleinen T., Held H., Petschel-Held G.2003The potential role of spectral properties in detecting thresholds in the Earth system: application to the thermohaline circulation Ocean Dyn. 5353–63. 10.1007/s10236-002-0023-6 (doi:10.1007/s10236-002-0023-6)
9. Dakos V., Scheffer M., van Nes E. H., Brovkin V., Petoukhov V., Held H.2008Slowing down as an early warning signal for abrupt climate change Proc. Natl Acad. Sci. USA 10514308–14312. 10.1073/pnas.0802430105 (doi:10.1073/pnas.0802430105) [PMC free article] 10. Livina V. N., Lenton T. M.2007A modified method for detecting incipient bifurcations in a dynamical system Geophys. Res. Lett. 34L03712. 10.1029/2006GL028672 (doi:10.1029/2006GL028672)
11. Biggs R., Carpenter S. R., Brock W. A.2009Turning back from the brink: detecting an impending regime shift in time to avert it Proc. Natl Acad. Sci. USA 106826–831. 10.1073/pnas.0811729106 (doi:10.1073/pnas.0811729106) [PMC free article] 12. Drake J. M., Griffen B. D.2010Early warning signals of extinction in deteriorating environments Nature 467456–459. 10.1038/nature09389 (doi:10.1038/nature09389)
13. Ditlevsen P. D., Johnsen S. J.2010Tipping points: early warning and wishful thinking Geophys. Res. Lett. 37L19703. 10.1029/2010GL044486 (doi:10.1029/2010GL044486)
14. Lenton T. M., Myerscough R. J., Marsh R., Livina V. N., Price A. R., Cox S. J.2009Using GENIE to study a tipping point in the climate system Phil. Trans. R. Soc. A 367871–884. 10.1098/rsta.2008.0171 (doi:10.1098/rsta.2008.0171)
15. Rahmstorf S.1995Bifurcations of the Atlantic thermohaline circulation in response to changes in the hydrological cycle Nature 378145–149. 10.1038/378145a0 (doi:10.1038/378145a0)
16. Rahmstorf S., et al.2005Thermohaline circulation hysteresis: a model intercomparison Geophys. Res. Lett. 32L23605. 10.1029/2005GL023655 (doi:10.1029/2005GL023655)
17. Stommel H.1961Thermohaline convection with two stable regimes of flow Tellus 13224–230. 10.1111/j.2153-3490.1961.tb00079.x (doi:10.1111/j.2153-3490.1961.tb00079.x)
18. Carpenter S. R., Brock W. A.2006Rising variance: a leading indicator of ecological transition Ecol. Lett. 9311–318. 10.1111/j.1461-0248.2005.00877.x (doi:10.1111/j.1461-0248.2005.00877.x)
19. Guttal V., Jayaprakash C.2008Changing skewness: an early warning signal of regime shifts in ecosystems Ecol. Lett. 11450–460. 10.1111/j.1461-0248.2008.01160.x (doi:10.1111/j.1461-0248.2008.01160.x)
20. Dakos V., van Nes E. H., Donangelo R., Fort H., Scheffer M.2010Spatial correlation as leading indicator of catastrophic shifts Theor. Ecol. 3163–174. 10.1007/s12080-009-0060-6 (doi:10.1007/s12080-009-0060-6)
21. Donangelo R., Fort H., Dakos V., Scheffer M., van Nes E. H.2010Early warnings for catastrophic shifts in ecosystems: comparison between spatial and temporal indicators Int. J. Bifurcat. Chaos 20315–321. 10.1142/S0218127410025764 (doi:10.1142/S0218127410025764)
22. Guttal V., Jayaprakash C.2009Spatial variance and spatial skewness: leading indicators of regime shifts in spatial ecological systems Theor. Ecol. 23–12. 10.1007/s12080-008-0033-1 (doi:10.1007/s12080-008-0033-1)
23. Livina V. N., Kwasniok F., Lenton T. M.2010Potential analysis reveals changing number of climate states during the last 60 kyr Clim. Past 677–82. 10.5194/cp-6-77-2010 (doi:10.5194/cp-6-77-2010)

Sursa: Lenton TM, Livina VN, Dakos V, van Nes EH, Scheffer M. Early warning of climate tipping points from critical slowing down: comparing methods to improve robustness. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2012 Mar 13;370(1962):1185-204. doi: 10.1098/rsta.2011.0304. PMID: 22291229; PMCID: PMC3261433, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare de Nicolae Sfetcu