Internal climate variability arises from the climate system's inherently chaotic dynamics. Quantifying it is essential for climate science, as it enables risk-based decision-making and differentiates between externally forced change and internal fluctuations. In statistical terms, natural variability corresponds to aleatoric uncertainty, i.e., irreducible stochastic variability. Despite this close conceptual alignment, the link between internal climate variability and aleatoric uncertainty has not yet been formalized. We establish a theoretical link by showing that member-to-member differences in single-model large ensembles provide a direct representation of aleatoric uncertainty. To quantify the spatio-temporal structure of aleatoric uncertainty, we employ generalized additive models. The proposed framework is validated through comparison with ERA5-Land reanalysis data, demonstrating that ensemble-derived estimates reproduce key spatial and temporal patterns of real-world variability. Applied to the water balance over the Iberian Peninsula, our approach reveals coherent variability structures and pronounced regional heterogeneity. We find a decline in variability in drought-prone regions and seasons, a pattern that strengthens under +3 °C global warming, implying an increased risk of persistent summer drought conditions. Beyond this application, the framework is climate-model agnostic and transferable to other variables and spatial scales, providing a statistical basis for quantifying internal climate variability as aleatoric uncertainty.


翻译:气候内部变异性源于气候系统固有的混沌动力学。对其进行量化对气候科学至关重要,因为这能够支持基于风险的决策,并区分外部强迫变化与内部波动。从统计学的角度来看,自然变异性对应于偶然不确定性,即不可约的随机变异性。尽管在概念上高度一致,但气候内部变异性与偶然不确定性之间的联系尚未被正式化。我们通过证明单一模型大集合中成员间差异直接体现了偶然不确定性,从而建立了这一理论联系。为了量化偶然不确定性的时空结构,我们采用了广义加性模型。通过与ERA5-陆面再分析数据的对比验证,该框架证明集合估计能够再现现实世界变异性的关键空间和时间模式。应用于伊比利亚半岛的水平衡分析,我们的方法揭示了相干变异性结构和显著的区域异质性。我们发现在易发生干旱的区域和季节,变异性呈下降趋势,在全球变暖3°C的情景下这一模式会加剧,意味着持续夏季干旱条件的风险增加。除该应用外,该框架对气候模型具有普适性,并可迁移至其他变量和空间尺度,为将气候内部变异性量化为偶然不确定性提供了统计基础。

0
下载
关闭预览

相关内容

《人机协作集成模型中的不确定性捕获》博士论文
专知会员服务
25+阅读 · 2025年10月2日
【CMU博士论文】校准不确定性量化的方法及其效用解析
专知会员服务
22+阅读 · 2025年9月1日
【斯坦福博士论文】概率机器学习中的不确定性原理
专知会员服务
27+阅读 · 2025年8月4日
【ETHZ博士论文】分布不确定性下的决策,234页pdf
专知会员服务
49+阅读 · 2024年4月5日
深度学习模型不确定性方法对比
PaperWeekly
20+阅读 · 2020年2月10日
「PPT」深度学习中的不确定性估计
专知
27+阅读 · 2019年7月20日
你的算法可靠吗? 神经网络不确定性度量
专知
40+阅读 · 2019年4月27日
用模型不确定性理解模型
论智
11+阅读 · 2018年9月5日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | CFPO:用反事实策略优化提升多模态推理
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:45
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
1+阅读 · 今天14:43
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
3+阅读 · 今天14:31
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:11
《人工智能生成的零日漏洞:对未来作战的影响》
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
8+阅读 · 6月22日
21世纪的无人机战争
专知会员服务
4+阅读 · 6月22日
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
5+阅读 · 6月22日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员