Studying the response of a climate system to perturbations has practical significance. Standard methods in computing the trajectory-wise deviation caused by perturbations may suffer from the chaotic nature that makes the model error dominate the true response after a short lead time. Statistical response, which computes the return described by the statistics, provides a systematic way of reaching robust outcomes with an appropriate quantification of the uncertainty and extreme events. In this paper, information theory is applied to compute the statistical response and find the most sensitive perturbation direction of different El Ni\~no-Southern Oscillation (ENSO) events to initial value and model parameter perturbations. Depending on the initial phase and the time horizon, different state variables contribute to the most sensitive perturbation direction. While initial perturbations in sea surface temperature (SST) and thermocline depth usually lead to the most significant response of SST at short- and long-range, respectively, initial adjustment of the zonal advection can be crucial to trigger strong statistical responses at medium-range around 5 to 7 months, especially at the transient phases between El Ni\~no and La Ni\~na. It is also shown that the response in the variance triggered by external random forcing perturbations, such as the wind bursts, often dominates the mean response, making the resulting most sensitive direction very different from the trajectory-wise methods. Finally, despite the strong non-Gaussian climatology distributions, using Gaussian approximations in the information theory is efficient and accurate for computing the statistical response, allowing the method to be applied to sophisticated operational systems.


翻译:研究气候系统对扰动的响应具有重要的现实意义。传统计算轨迹偏差的方法常因系统的混沌特性而受限,使得模型误差在较短时间内即掩盖真实响应。统计响应通过计算统计量描述的回归,为获得稳健结果提供了系统化途径,并能对不确定性与极端事件进行合理量化。本文应用信息论计算统计响应,探寻不同厄尔尼诺-南方涛动事件对初始值与模型参数扰动的最敏感方向。研究表明,最敏感扰动方向所涉及的状态变量取决于初始相位与时间尺度:海表温度与温跃层深度的初始扰动通常分别在短期与长期主导海表温度的响应,而纬向平流的初始调整对触发5至7个月中尺度的强统计响应至关重要,这在厄尔尼诺与拉尼娜的过渡阶段尤为显著。研究还发现,由外部随机强迫扰动(如风爆发)引发的方差响应常超越均值响应,导致其最敏感方向与轨迹方法所得结果存在显著差异。最后,尽管气候态分布呈现强非高斯特性,在信息论中采用高斯近似仍能高效精确地计算统计响应,这为该方法应用于复杂业务系统提供了可行性。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
3+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
47+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
3+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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
VIP会员
最新内容
大语言模型平台在国防情报应用中的对比
专知会员服务
3+阅读 · 今天3:12
美海军“超配项目”
专知会员服务
4+阅读 · 今天2:13
《美陆军条例:陆军指挥政策(2026版)》
专知会员服务
10+阅读 · 4月21日
《军用自主人工智能系统的治理与安全》
专知会员服务
7+阅读 · 4月21日
《系统簇式多域作战规划范畴论框架》
专知会员服务
10+阅读 · 4月20日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
3+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
47+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
3+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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014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