Сложность как предвестник: прогноз силы Эль-Ниньо за год ✎

Оригинал: "Complexity based approach for El Nino magnitude forecasting before the "spring predictability barrier""
arXiv:1909.03789 · 2019-09-09 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Мера беспорядка температуры в тропической части Тихого океана позволяет предсказать силу Эль-Ниньо за год до его начала.

Контекст

Прогноз Эль-Ниньо — одна из самых сложных задач климатологии. Явление возникает в тропической части Тихого океана раз в 2–7 лет и влияет на экосистемы, сельское хозяйство и экономику по всему миру. Динамические и статистические модели хорошо предсказывают событие за полгода, но перед весной наступает так называемый барьер предсказуемости: с февраля по май точность резко падает. Работа стоит рядом с исследованиями, которые используют сети климатических связей и машинное обучение для ранних предупреждений о засухе и Эль-Ниньо. Отличие в том, что здесь впервые удаётся предсказать не только начало, но и силу события с горизонтом в год.

Методы

Авторы вводят меру системной выборочной энтропии (SysSampEn) для оценки сложности системы из 22 временных рядов температурных аномалий в регионе Ниньо 3.4 (5°S–5°N, 170°W–120°W). SysSampEn обобщает выборочную энтропию и кросс-энтропию: она измеряет, насколько похожие подпоследовательности длины m остаются похожими на протяжении ещё p точек, учитывая пары из одного или разных рядов. Параметры m (30 или 60 дней), p (15 или 30 дней), эффективная длина ряда leff и порог γ подбираются с помощью двух тестов точности: теста пространственной асинхронности (сравнение систем из соседних и случайных точек) и теста временного беспорядка (добавление шума). Использованы четыре набора данных: ERA-Interim, ERA5 (температура воздуха на 1000 гПа), ERA5 SST и JRA55-do SST за 1984–2018 годы.

Результаты

Обнаружена сильная положительная корреляция между энтропией предыдущего календарного года и магнитудой Эль-Ниньо. Для ERA-Interim при параметрах m=60 дней, p=15 дней, leff=345 дней, γ=9 корреляция достигает r=0.99 (в среднем по наборам данных r=0.90). Прогноз начала события с горизонтом в год даёт 9 из 10 правильных предсказаний начала и 21 из 24 правильных предсказаний отсутствия. Прогноз магнитуды методом leave-one-out имеет RMSE 0.23°C. Для события 2018 года прогнозируется слабое Эль-Ниньо с магнитудой 1.11±0.23°C, что совпадает с наблюдениями. Старые определения энтропии (средняя SampEn или средняя Cross-SampEn) дают корреляцию лишь 0.42, что подчёркивает преимущество нового подхода.

Значение

Работа показывает, что сложность температурного поля в регионе Ниньо 3.4 за год до события содержит информацию о будущей силе Эль-Ниньо. Это первый метод, который позволяет прогнозировать магнитуду с горизонтом в год, преодолевая весенний барьер. В отличие от соседних работ, которые фокусируются только на начале события или используют нейросети, здесь предложена физически интерпретируемая мера сложности. Метод может быть расширен на другие сложные системы, где важна пространственно-временная синхронизация.

Развитие

Возможно, SysSampEn позволит предсказывать Эль-Ниньо ещё раньше, если использовать данные за половину года: корреляция остаётся высокой для некоторых параметров, хотя точность снижается. Авторы предполагают связь между энтропией и океанической турбулентностью: сильные Эль-Ниньо связаны с интенсивной турбулентностью, которая уменьшает горизонтальные градиенты температуры и, следовательно, энтропию. Проверка этой гипотезы требует дальнейших исследований с климатическими моделями и наблюдениями.

Влияние

Метод может улучшить долгосрочные прогнозы Эль-Ниньо для сельского хозяйства, управления водными ресурсами и подготовки к экстремальным погодным явлениям. Он также предлагает новый инструмент для анализа сложности в других природных и инженерных системах.

Следующие шаги

Необходимо проверить метод на независимых данных и в реальном времени для будущих событий. Также стоит исследовать связь между SysSampEn и физическими механизмами, такими как турбулентность и накопление энергии в океане.

Ключевые проблемы

Ключевая нерешённая проблема в климатологии — преодоление весеннего барьера предсказуемости для Эль-Ниньо. Работа показывает, что мера сложности может обойти этот барьер, но остаётся вопрос о физическом механизме, связывающем энтропию с магнитудой. Также открыт вопрос о применимости метода к другим климатическим явлениям, таким как Ла-Нинья или тихоокеанское десятилетнее колебание.

Для события 1997 года, одного из сильнейших за столетие, энтропия предыдущего года была максимальной за весь период наблюдений. Значение SysSampEn для 1996 года составило 1.25, что почти вдвое выше, чем для годов без Эль-Ниньо.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» учёные пытаются предсказать резкие изменения климата, используя нелинейные методы анализа данных. SysSampEn — реальный шаг в этом направлении: мера сложности позволяет увидеть сигнал там, где классические модели слепы.

SysSampEn(m,p,l_{eff},\gamma) = -\log\left(\frac{A}{B}\right)
A — число пар похожих подпоследовательностей длины m+p, B — число пар похожих подпоследовательностей длины m. Энтропия тем выше, чем меньше вероятность того, что похожие отрезки останутся похожими при удлинении.

Ключевые числа

  • корреляция r для ERA-Interim: 0.99
  • средняя корреляция по четырём наборам данных: 0.90
  • RMSE прогноза магнитуды: 0.23°C
  • горизонт прогноза: 1 год
  • прогноз магнитуды Эль-Ниньо 2018: 1.11±0.23°C
Понятия
весенний барьер предсказуемости энсо южная осцилляция эль-ниньо индекс Эль-Ниньо многомерный индекс ЭНСО модель Джина–Тиммермана ла-нинья буйковые станции TAO/TRITON ERSST южная осцилляция NOAA CPC распространение экваториальных волн модель осциллятора с подзарядкой NOAA PMEL TAO прогноз межгодовая изменчивость объём тёплой воды сезонный цикл относительный они ансамблевый прогноз