Ny metode giver det første globale billede af gensidig forudsigelighed af atmosfære og hav

Forskere fra University of Maryland (UMD) har udført en ny statistisk analyse for for første gang at bestemme et globalt billede af, hvordan havet hjælper med at forudsige atmosfæren på lavt niveau og omvendt. De observerede allestedsnærværende indflydelse fra havet på atmosfæren i de ekstratropiske områder, hvilket har været svært at påvise med dynamiske modeller for atmosfærisk og oceanisk cirkulation. Resultaterne offentliggøres i dag i Tidsskrift for Klima , "Lokal atmosfære-hav forudsigelighed:dynamisk oprindelse, gennemløbstider, og sæsonbestemt."

Forskningen trækker på et klassisk udsagn, der ofte høres i indledende statistikklasser, at "korrelation er ikke årsagssammenhæng." Clive Granger var en nobelprismodtager matematiker, der kom op med en ny metode til at løse dette problem ved at skelne korrelation fra årsagssammenhæng.

"Granger-metoden bygger på en enkel, men vigtig forestilling om, at en årsag går forud for dens virkning, og bør forbedre forudsigelsen af ​​dens virkning i fremtiden. Vi indså, at dette kunne være en kraftfuld metode til at studere samspillet mellem atmosfære og hav, og for at give et globalt billede af, hvor godt de forudsiger hinanden, " sagde den anvendte matematiker Safa Motesharrei, en Environmental Systems Scientist ved UMD. "Denne metode kaster lys over både potentialet til bedre at forudsige regionalt klima såvel som arten af ​​interaktionerne."

"Der er mange fysiske processer, der styrer samspillet mellem atmosfæren og havet, " sagde hovedforfatter Eviatar Bach, Ph.D. studerende ved Institut for Atmosfærisk og Oceanisk Videnskab (AOSC) ved UMD. "For eksempel, vind, der blæser på havoverfladen, skaber strømme, og havoverfladen opvarmer den nedre atmosfære. Disse interaktioner mellem atmosfæren og havet spiller en stor rolle for klimaet og vores evne til at forudsige det, så det er vigtigt at forstå deres geografiske struktur."

"Det har været kendt, at i de tropiske oceaner, havet driver overvejende de atmosfæriske ændringer, mens atmosfæren i de ekstratropiske områder generelt driver havet, " sagde medforfatter Eugenia Kalnay, Distinguished University Professor of AOSC ved UMD. "Jeg udviklede en dynamisk regel til at bestemme retningen af ​​forceringen i 1986, og andre har behandlet dette spørgsmål ved hjælp af klimamodeller. Denne undersøgelse giver et endegyldigt svar."

Den grundlæggende Granger-metode blev introduceret i 1969, men forfatterne "anvendte det smart for første gang på atmosfære- og havdata, " sagde Juergen Kurths, Leder af Complexity Science Department ved Potsdam Institute for Climate Impact Research i Tyskland, som ikke var medforfatter. Kurths er en fremtrædende fysiker, der har udviklet mange nye matematiske metoder til at studere klima og andre ikke-lineære systemer.

"Det mest nye fund af denne forskning er, at metoden til Granger kausalitet fandt, at havet påvirkede atmosfæren næsten overalt i de ekstratropiske områder, " sagde Samantha Wills, en postdoc forsker ved NOAA's Pacific Marine Environmental Laboratory, som ikke var medforfatter. "Dette kan være en udfordrende opgave i betragtning af, at atmosfæren dominerer luft-hav-interaktion i de ekstratropiske områder, og havets indflydelse på atmosfæren er ikke meget større end intern variabilitet."

"Dette var ikke blevet påvist af tidligere General Circulation Model-eksperimenter. Selvom der har været nogle få specielle tilfælde, hvor det har vist sig, at havoverfladetemperaturer på mellembreddegrad har en væsentlig indflydelse på atmosfæren, dette forhold var ikke kendt for at være så allestedsnærværende, som dette papir har vist, " sagde J. Shukla, Universitetsprofessor ved George Mason University, som ikke var medforfatter. Shukla er en verdenskendt klimaforsker, der var banebrydende for studier af forudsigelighed.

I øvrigt, undersøgelsens estimater af forudsigelighedens rumlige struktur kunne bidrage til yderligere at fremme videnskaben om koblet dataassimilering, det begyndende felt, der forsøger at udnytte samspillet mellem atmosfære og hav til at forbedre klimaforudsigelsen.

"Evnen til at forudse ændringer i havet eller atmosfæren baseret på information fra det andet system giver samfundet mulighed for at forberede sig på fremtidige påvirkninger, såsom landbrug og fiskeri, " sagde Wills.

"Dette er et meget vigtigt papir i historien om forudsigelighedsforskning, " sagde Shukla, "Det vil helt sikkert inspirere til yderligere forskning fra forudsigelighedsforskningsmiljøet. Især dette papir identificerer geografiske regioner på kloden, hvor der eksisterer potentiel forudsigelighed, som kan høstes for at forbedre operationelle forudsigelser."