Кто на самом деле греет планету: информационный след климатических водителей ✎

Оригинал: "Quantitative assessment of drivers of recent climate variability: An information theoretic approach"

· Ankush Bhaskar, Durbha Sai Ramesh, Geeta Vichare, Triven Koganti, S. Gurubaran

arXiv:1607.01529 · 2016-07-06 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин

Передача энтропии показала, что CO₂, метан и вулканические аэрозоли почти поровну управляли глобальной температурой в 1984–2005 годах.

Судья на процессе о климате не слушает, кто громче кричит. Он следит за тем, кто кому подсказывает. Девять «свидетелей» — от углекислого газа до космических лучей — давали показания с 1984 по 2005 год. Их слова записывали каждый месяц. Судья не верит простым совпадениям, потому что два свидетеля могут повторять друг друга, не зная, кто начал первым. Он ищет односторонний поток информации.

Передача энтропии — это способ измерить, сколько информации о будущем одного ряда содержится в прошлом другого ряда сверх того, что уже известно из его собственного прошлого. Если один ряд «подсказывает» другому, значит, он водитель.

Записи очистили от медленных трендов, оставив быстрые колебания. Потом для каждой пары «подозреваемый — температура» вычисляли, кто кому подсказывает, с задержкой от нуля до десяти месяцев. Чтобы отсеять случайные совпадения, записи перемешивали сто раз и смотрели, сохраняется ли сигнал. Если после перемешивания подсказка исчезала, значит, в реальных данных она была настоящей.

Судья вынес вердикт: углекислый газ, метан и вулканические аэрозоли подсказывали температуре почти поровну — 24%, 19% и 23% от общего потока информации. Ультрафиолет и Эль-Ниньо тоже подсказывали, но слабее. Космические лучи, закись азота и общая солнечная радиация молчали.

Раньше корреляции не могли отличить причину от следствия: тёплый океан тоже выделяет больше CO₂. Судья слышит направление подсказки. Оказалось, что вулканические аэрозоли, выброшенные извержениями Эль-Чичон в 1982 году и Пинатубо в 1991 году, оставили в записях чёткий след. Закись азота, хоть и сильный парниковый газ, живущий в атмосфере около 120 лет, почти не подсказывала из-за низкой концентрации.

Этот метод не требует модельных предположений, поэтому может служить независимой проверкой для климатических моделей. Судья не знает физики, но видит, кто кем управляет. Его вердикт не отменяет антропогенное потепление, а уточняет, что естественная изменчивость вносила сопоставимый вклад в короткие колебания температуры в те годы. Теперь судья готов слушать новые дела: более длинные ряды, палеоклиматические реконструкции, другие свидетели.

Весь граф →

Закись азота N₂O имеет сильное радиационное воздействие на молекулу и живёт в атмосфере около 120 лет, но её вклад оказался маргинальным из-за низкой концентрации. Вулканические аэрозоли, выброшенные извержениями Эль-Чичон в 1982 году и Пинатубо в 1991 году, дали всплеск оптической толщины, который метод уверенно распознал как водитель температуры.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Министерство будущего» климатологи пытаются отделить естественные колебания от антропогенного сигнала, чтобы оправдать геоинженерные меры. Метод передачи энтропии из этой статьи напоминает их инструмент для выявления причинных связей в климатических данных.

TE_{x\to y}(\tau) = \sum P(y(t+\tau), y(t), x(t)) \log_2 \left( \frac{P(y(t+\tau), y(t), x(t)) P(y(t))}{P(x(t), y(t)) P(y(t+\tau), y(t))} \right)

Количество информации о будущем y, которое даёт знание прошлого x сверх того, что уже известно из прошлого y.

NTE_{x\to y}(\tau) = \frac{TE_{x\to y}(\tau)}{\sqrt{H_x H_{y+\tau}}}

Передача энтропии, делённая на геометрическое среднее энтропий x и y, что позволяет сравнивать разные пары переменных.

D_{x\to y}(\tau) = NTE_{x\to y}(\tau) - NTE_{y\to x}(\tau)

Разность нормализованных потоков информации; положительное значение указывает, что x является водителем y.

Понятия

естественная изменчивость североатлантическая осцилляция межгодовая изменчивость сезонный цикл энсо NOAA CPC многомерный индекс ЭНСО климат модель Джина–Тиммермана южная осцилляция эль-ниньо ERSST весенний барьер предсказуемости буйковые станции TAO/TRITON климатическая модель спутниковый рекорд UAH теория информации индекс Эль-Ниньо телеконнекция причинность по Грейнджеру IRI

Я автор

Кто на самом деле греет планету: информационный след климатических водителей ✎