Using the fractional energy balance equation for accurate temperature projections through 2100
Notice bibliographique
Résumé
The conventional energy balance equation (EBE) is a first order linear differential equation driven by solar, volcanic and anthropogenic forcings. The differential term accounts for energy storage usually modelled as one or two “boxes”. Each box obeys Newton’s law of cooling, so that when perturbed, the Earth’s temperature relaxes exponentially to a thermodynamic equilibrium. However, the spatial scaling obeyed by the atmosphere and its numerical models implies that the energy storage process is a scaling, power law process, a consequence largely of turbulent, hierarchically organized oceans currents but also hierarchies of land ice, soil moisture and other processes whose rates depend on size. Scaling storage leads to power law relaxation and can be modelled via a seemingly trivial change - from integer to fractional order derivatives - the Fractional EBE (FEBE): with temperature derivatives order 0 < H < 1 rather than the EBE value H = 1. Mathematically the FEBE is a past value problem, not an initial value problem. Recent support for the FEBE comes from [Lovejoy, 2019a] who shows that the special H = 1/2 case (close to observations), the “Half-order EBE” (HEBE), can be analytically obtained from classical Budyko-Sellers energy balance models by improving the boundary conditions. The FEBE simultaneously models the deterministic forced response to external (e.g. anthropogenic) forcing as well as the stochastic response to internal forcing (variability) [Lovejoy, 2019b]. We directly exploit both aspects to make projections based on historical data estimating the parameters using Bayesian inference. Using global instrumental temperature series, alongside CMIP5 and CMIP6 standard forcings, the basic FEBE parameters are H ≈ 0.4 with a relaxation time ≈ 4 years. This observation-based model also produces projections for the coming century with forcings prescribed by the CMIP5 Representative Concentration Pathways scenarios and the CMIP6 Shared Socioeconomic Pathways. We compare both generations of General Circulation Models (GCMs) outputs from CMIP5/6 alongside with the projections produced by the FEBE model which are entirely independent from GCMs, contributing to our understanding of forced climate variability in the past, present and future. When comparing to CMIP5 projections, we find that the mean projections are about 10- 15% lower while the uncertainties are roughly half as large. Our global temperature projections are therefore within the CMIP5 90% confidence limits and thus give them strong, independent support. References Lovejoy, S., The half-order energy balance equation, J. Geophys. Res. (Atmos.), (submitted, Nov. 2019), 2019a. Lovejoy, S., Fractional Relaxation noises, motions and the stochastic fractional relxation equation Nonlinear Proc. in Geophys. Disc., https://doi.org/10.5194/npg-2019-39, 2019b.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,002 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,011 | 0,005 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».