[論文レビュー] A Large Deviation Theory-based Analysis of Heat Waves and Cold Spells in a Simplified Model of the General Circulation of the Atmosphere

Vera Melinda Gálfi, Valerio Lucarini+1 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Jul 22, 2018

Climate variability and models被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、簡略化された大気一般循環モデルにおける持続的熱波および寒波を分析するために、大偏差理論（LDT）を適用する。近地面温度の偏差率関数を推定することで、温度極端現象におけるスケール不変性の普遍性を明らかにし、中間スケールの空間スケールが大偏差に対して最も適していることを特定した。これは低周波大気変動と関連している可能性を示唆する。

ABSTRACT

We study temporally persistent and spatially extended extreme events of temperature anomalies, i.e. heat waves and cold spells, using large deviation theory. To this end, we consider a simplified yet Earth-like general circulation model of the atmosphere and numerically estimate large deviation rate functions of near-surface temperature in the mid-latitudes. We find that, after a re-normalisation based on the integrated auto-correlation, the rate function one obtains at a given latitude by looking, locally in space, at long time averages agrees with what is obtained, instead, by looking, locally in time, at large spatial averages along the latitude. This is a result of scale symmetry in the spatial-temporal turbulence and of the fact that advection is primarily zonal. This agreement hints at the universality of large deviations of the temperature field. Furthermore, we discover that the obtained rate function is able to describe spatially extended and temporally persistent heat waves or cold spells, if we consider temporal averages of spatial averages over intermediate spatial scales. Finally, we find out that large deviations are relatively more likely to occur when looking at these spatial averages performed over intermediate scales, thus pointing to the existence of weather patterns associated to the low-frequency variability of the atmosphere. Extreme value theory is used to benchmark our results.

研究の動機と目的

• 大偏差理論（LDT）を用いて、熱波や寒波のような持続的かつ空間的に広がった温度異常の統計的性質を調査すること。
• LDTが、地球に類似した簡略化された大気モデルにおける極端気象現象の発生確率を捉えられるかどうかを検証すること。
• 中緯度大気動力学における、異なる空間的・時間的スケールにおいて大偏差率関数の普遍性が存在するかを調査すること。
• 特に長期間持続し広範囲にわたる現象を含む気候系におけるレアイベント確率の推定に、LDTが有効であるかを評価すること。
• 非定常性や多スケール相関といった課題を特定することで、実気候データおよび最新の気候モデルへのLDTの応用に向けた基盤を構築すること。

提案手法

• 近地面温度の長期間時系列を生成するため、大気の簡略化された一般循環モデル（GCM）を数値的にシミュレートする。
• 固定された緯度における温度時間平均から、長期間にわたる時間平均統計を用いて大偏差率関数（LDRF）を推定する。
• 空間的に局所的で長期間の平均から得られたLDRFと、緯線に沿った時間的に局所的で広範囲の平均から得られたLDRFを比較する。
• 統合自己相関に基づく再正規化を用いて、異なる平均化手法におけるLDRFのスケール対称性および普遍性を検証する。
• LDTによる稀イベント確率推定の妥当性を検証するため、極値理論（EVT）をベンチマークとして用いる。
• 中間スケールの空間平均を分析することで、持続的極端現象に関連する大偏差を検出する最適な構成を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大偏差理論は、熱波や寒波のような持続的かつ空間的に広がった温度異常の発生確率を効果的に記述できるか？
• RQ2 異なる空間的・時間的平均化手法にわたっても、温度の普遍的大偏差率関数が存在するか？
• RQ3 中間スケールの空間スケールが大偏差の確率を最大にするか。これは低周波大気変動と関連している可能性を示唆するか？
• RQ4 時間的および空間的相関が、地球物理系における大偏差法則の収束性および普遍性に与える影響はいかほどか？
• RQ5 季節変動や気候変動トレンドといった非定常性を含む実気候データに、LDTをどの程度適応できるか？

主な発見

• 統合自己相関を用いた再正規化の後、中間スケールの空間的局所平均から得られた大偏差率関数は、長期間の時間的局所平均から得られた関数と一致し、スケール対称性および普遍性を示した。
• 中間スケールの空間平均に時間平均を適用した場合、LDRFは熱波および寒波の両方を効果的に記述できた。
• 温度場を中間スケールで平均化した場合、大偏差が最も起こりやすくなることが示され、これは低周波大気パターン（例：ブロッキング現象）と物理的関連がある可能性を示唆した。
• 理想化モデルでは推定された率関数が対称であったため、極端な温暖化と寒冷化の異常は等しい確率で発生すると示唆されたが、実データでは水分効果により非対称性が予想される。
• LDTと極値理論（EVT）の結果が一致したため、LDTによるスパatiotemporalなカオス的系における稀イベント確率推定の妥当性が確認された。
• 本研究は、非定常性や多スケール相関を扱うための実用的適応策を提案しながら、実気候データへのLDTの拡張に向けた基盤を提供した。