我们正在以前所未有的速度改变地球系统，而没有详细了解后果。越来越详细的基于物理的模型正在稳步改进，但是仍然缺乏对持久性不确定性的深入了解。面临的两个主要挑战是在模型中获取必要的详细信息，并准确预测人为二氧化碳如何干扰气候的内在，自然变化。欧盟展望2020年气候科学项目TiPES的迈克尔·吉尔(Michael Ghil)和瓦勒里奥·卢卡里尼(Valerio Lucarini)发表在《现代物理学评论》上的综合评论中现在概述了克服这两个障碍的道路。

“我们提出的想法比传统的仅依赖越来越大的模型的方法能够执行更有效的气候模拟。我们展示了如何从这些模型中以更高的预测能力提取更多的信息。我们认为这是有价值的， “这是一种比许多工作要新颖和有效的方法。”英国雷丁大学和德国汉堡大学气象研究所CEN的数学和统计学教授Valerio Lucarini说。

迫切需要这种方法，因为当前的气候模型通常无法执行两项重要任务。首先，在大气中二氧化碳(CO 2)加倍后，它们无法减少确定表面平均全球温度时的不确定性。该数字称为平衡气候敏感性，在1979年被计算为1.5至4摄氏度。从那以后，不确定性增加了。今天，尽管对数值模型进行了数十年的改进并在同一时期获得了巨大的计算能力，但仍为1.5至6度。

其次，气候模型难以预测临界点，而临界点是在子系统(例如海流，冰原，景观，生态系统)突然且不可逆转地从一种状态转变为另一种状态时发生的。此类事件在历史记录中已得到很好的记录，对现代社会构成了重大威胁。但是，IPCC评估所依赖的高端气候模型并不能预测它们。

这些困难基于以下事实：大多数高分辨率气候计算中使用的数学方法不能充分再现确定性混沌行为，也不能充分再现存在时间依赖性强迫的不确定性。

混沌行为是地球系统固有的行为，因为许多物理，化学，地质和生物过程的时间范围从微秒到数百万年不等，包括云的形成，沉积，风化，洋流，风型，湿度，光合作用等。也就是说，该系统主要是由太阳辐射强迫的，太阳辐射会随时间自然变化，但也受到人为因素对大气变化的影响。因此，地球系统是高度复杂的，确定性的混沌，随机扰动的并且永远不会处于平衡状态。

“我们所做的基本上是将确定性混乱扩展到一个更为通用的数学框架，该框架提供了确定气候系统对各种强制性，确定性和随机性响应的工具，” Ecole教授Michael Ghil解释说。法国巴黎的NormaleSupérieure和PSL大学，以及美国洛杉矶的加利福尼亚大学。

基本思想并不是那么新。该理论是数十年前开发的，但它是一个非常困难的数学理论，要求专家之间进行多学科合作才能在气候模型中实施。这种跨学科的方法正在慢慢出现，气候科学界以及应用数学，理论物理学和动力学系统理论方面的专家都参与其中。作者希望这篇评论文章能够描述这种工作所需的数学工具，从而加快这一趋势。

“我们在一个定义明确的一致框架中对气候变化和气候变异性达成一致的理解。我认为这是解决问题的重要一步。因为首先您必须正确提出它。因此，这个想法是-我们使用我们在论文中广泛讨论的概念性工具，我们希望希望能帮助气候科学和气候模型取得飞跃。” Valerio Lucarini说。