Чи точне статистичне моделювання втрати льодовика?

Втрата льодовика є гострою проблемою в усьому світі, оскільки танення льоду впливає на запаси прісної води, підвищення рівня моря та циркуляцію океану. Часто глобальні моделі льодовиків використовуються для кращого розуміння масштабів цієї загрози, як-от нещодавня модель, яка показує широку деглаціацію в середніх широтах до 2100 року. Однак ця та інші моделі не визначать лінійний зв’язок між температурою та втрата льодовика, особливо в таких регіонах, як Ісландія, де спостерігаються екстремальні температури, що відрізняються від середньосвітових.

Дослідження, проведене на льодовику Бруарйокутль в Ісландії, дало подальшу оцінку цієї невизначеності та виявило, що лінійну залежність неможливо пояснити лише місцевими спостереженнями. Це говорить про необхідність вивчення ісландських льодовиків як мережі.

Дослідження, засноване на проекті дисертації цього автора в Лейденському університетському коледжі в Нідерландах, використовувало супутникові зображення та дані з найближчої метеостанції, щоб створити модель втрати площі льодовика з 1984 по 2020 рік. Такі ретроспективні моделі, які називаються ретроспективними моделями, можна використовувати для перевірки моделей для прогнозів майбутніх змін.

Традиційні методи вивчення льодовиків передбачають трудомісткі та ресурсомісткі фізичні вимірювання, тому дослідники іноді використовують для своєї роботи математичні моделі. У цьому контексті доречними є два типи математичних моделей: детерміновані та статистичні моделі. Детерміновані моделі — це тип математичної моделі, яка використовує фізичні закони для моделювання поведінки системи. Статистичні моделі, з іншого боку, базуються на кореляції між спостережуваними даними та реалізуються для прогнозування чи оцінки.

Комплексні детерміновані моделі в глобальному масштабі не реагують на місцеві погодні умови, тому статистичні моделі з’явилися як потенційна альтернатива вивченню танення льодовиків. Одним із прикладів такої статистичної моделі є книга кліматолога Ханса Ерлеманса «Льодовики та зміна клімату» 2001 року. Він виявив, що стабільні кліматичні умови все ще призводять до танення льодовиків у Європейських Альпах.

Іншим прикладом є нещодавнє дослідження, опубліковане в журналі Scientific Reports, яке оцінювало відступ льодовика Нараду в Західних Гімалаях. Це дослідження під керівництвом професора Центрального університету Раджастану Раджеша Кумара дійшло висновку, що зменшення кількості опадів є більш важливим фактором танення льодовиків, ніж підвищення температури.

До останнього дослідження в Ісландії члени нашої дослідницької групи намагалися відтворити результати Кумара та його колег, використовуючи їхні дані та методи. Після кількох місяців маніпулювання даними та спроб зв’язатися з авторами, щоб отримати більше інформації, ми не змогли отримати жодного з результатів, опублікованих у їхній статті. Ця складність змусила нас зацікавитися самим методом, і ми вирішили відтворити його з новими даними для льодовика Бруарйокутль в Ісландії.

В Ісландії розташовані одні з найбільших у світі льодовикових шапок, зокрема Лангйокудль і Ватнайокудль. Ці крижані шапки та вихідні льодовики є критично важливими компонентами постачання прісної води, індустрії туризму та екосистеми країни. Однак зміна клімату спричиняє їх швидке танення, що спонукає деяких стверджувати, що льодовики Ісландії зникнуть протягом наступних 150 років.

Дослідження, проведене на Бруарйокудлі, показало, що опади, а не температура, є ключовим рушієм клімату льодовика. Це відкриття контрастує з повідомленнями, які вказують на те, що температура є ключовим кліматичним фактором ісландських льодовиків. Але дослідження також виявило, що лінійне моделювання площі Бруарйокутль як функції опадів не може бути надійно використано для короткострокового чи довгострокового прогнозування масштабів льодовика.

Нюанс полягає в тому, коли розглядаються залишки моделі — різниці між спостережуваними та прогнозованими значеннями даних. Залишки використовуються при оцінці якості моделі як діагностичний захід. У цьому випадку дослідження вказує на те, що динаміка льодовика та метеорологічна динаміка може бути лише частково змодельована лінійно, але ця модель успішно пояснює базові тенденції у зв’язку між площею та кількістю опадів.

Хоча це може здатися протиріччям, воно висвітлює щось більше. Дослідження в Гренландії так само виявило, що динаміка окремих льодовиків пояснюється нелінійно. Однак вони показують, що нормалізована зміна льодовика є однорідною у великих регіонах. Іншими словами, льодовики не потрібно окремо моделювати, щоб моделювати втрату льоду як функцію клімату в цьому регіоні. Це повертає нас до глобальних моделей льодовиків, які можуть працювати з меншими обчислювальними витратами та складністю моделі для територій із кліматичними аномаліями, що виходять за межі глобального середнього. Неможливо чітко визначити, чи регіональне моделювання стосується ісландських льодовиків, на основі останніх знахідок, але це підкреслює нову захоплюючу можливість.

Інші методи, зокрема нелінійні статистичні моделі або штучні нейронні мережі, можна використовувати для вивчення місцевих льодовиків. Це підкреслює потребу в більш складних, повних і дорогих даних, які краще підходять для вивчення льодовиків (на відміну від загальних даних метеостанцій, які використовувалися в дослідженні). Перешкоди, включаючи часто віддалене та небезпечне середовище льодовиків, свідчать про те, що неможливо отримати дані, необхідні для статистичних моделей для точного прогнозування танення льодовиків. 

У цьому випадку нам, можливо, доведеться переглянути методи, які використовуються для вивчення ісландських льодовиків, враховуючи обмеженість даних. Роблячи це, ми можемо досліджувати зв’язки між регіональними мережами льодовиків і краще інформувати глобальні моделі. Джерело