科研进展

GRL:基于气候网络方法的太平洋年代际振荡的冷暖位相转折预测

  太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)是重要的年代际尺度海温变率,对全球气候和环境有持久而深远的影响。目前,PDO的成因机制尚不明确,其形成可能由多个物理过程共同作用而成,如大气的随机强迫、中低纬度海气相互作用、海洋涡旋输送等,这大大增加了系统的不确定性和复杂性,导致PDO的预测面临着很大的挑战。由于PDO的冷暖位相对应着截然不同的气候影响,对于PDO相位转折的预测,是当前年代际气候预测研究中的热点和难点问题之一。如何提取PDO位相转折的早期前兆信号是提高其预测技巧的关键之一。

  近日,东亚中心马柱国研究团队联合中山大学、德国洪堡大学等单位,利用气候网络方法成功提取了PDO位相转折的早期前兆信号。如图1所示,对于近百年的6次PDO冷暖位相转折,基于气候网络的预测指标全都有效监测到其早期前兆信号的出现,该信号可以提前6.5年左右预测PDO的位相转折,并且只在50年代出现了一次误报。这一结果不仅提高了PDO位相转折的预测技巧,更大幅提升了预测的时长,使其预测时长接近当前已知的PDO可预报性上限(8-9年)。

  研究进一步指出,气候网络分析可以克服环境噪声的影响,通过网络的“协同效应”(cooperative behavior),从海温中提取到信噪比很小的早期前兆信号。所谓“协同效应”,它反映了该动力系统内部越来越多的空间点出现时间上的一致性变化,体现为点与点之间的关联强度(相关系数)向同一个方向变化(同增或同减)。尽管这种点与点之间关联强度的变化在幅度上非常小,难以从个体上被察觉,但当考虑气候中大量点之间的群体行为时,宏观上这种差异就可以被检测到。这是PDO冷暖位相转折前兆信号可以被气候网络方法捕获的原因。

  作为一种兼顾大数据分析和机理诊断的新兴分析手段,气候网络方法近年来已在大气科学的研究中展现出了突出的应用价值。本研究为重大气候事件的转折性预测提供了一种新的途径,该方法或可以被应用于其他气候事件的预测中。本研究受到国家重点研发计划课题(2016YFA0600404)、国家自然科学基金项目(41805065和41675088)等资助。东亚中心陆征辉博士为本文的第一作者,中山大学袁乃明副教授为本文通讯作者。

 

图1:(a)PDO冷位相海温场空间分布;(b)PDO年代际振荡冷暖位相转折点;

(c)气候网络示意图;(d)基于气候网络分析得到的前兆信号。

  相关论文:

  Lu, Z., Yuan, N., Yang, Q., Ma, Z., & Kurths, J. (2021). Early warning of the Pacific Decadal Oscillation phase transition using complex network analysis. Geophysical Research Letters, 48, e2020GL091674. https://doi.org/10.1029/2020GL091674

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