[論文レビュー] A stochastic model for the lifecycle and track of extreme extratropical cyclones in the North Atlantic

Paul Sharkey, Jonathan A. Tawn+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2019

Climate variability and models被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、北アトランティックにおける熱帯低気圧のための確率的シミュレーションモデルを提案する。このモデルは、極値解析と条件付きカーネル密度推定を用いて、同時に嵐の経路と渦度強度をモデル化する。モデルは空間的変動性、強度の裾部の挙動、経路ダイナミクスを捉え、観測記録を超える合成極端嵐の生成を可能にし、気候およびインfra構造計画におけるリスクアセスメントの向上を図る。

ABSTRACT

Extratropical cyclones are large-scale weather systems which are often the source of extreme weather events in Northern Europe, often leading to mass infrastructural damage and casualties. Such systems create a local vorticity maxima which tracks across the Atlantic Ocean and from which can be determined a climatology for the region. While there have been considerable advances in developing algorithms for extracting the track and evolution of cyclones from reanalysis datasets, the data record is relatively short. This justifies the need for a statistical model to represent the more extreme characteristics of these weather systems, specifically their intensity and the spatial variability in their tracks. This paper presents a novel simulation-based approach to modelling the lifecycle of extratropical cyclones in terms of both their tracks and vorticity, incorporating various aspects of cyclone evolution and movement. By drawing on methods from extreme value analysis, we can simulate more extreme storms than those observed, representing a useful tool for practitioners concerned with risk assessment with regard to these weather systems.

研究の動機と目的

• 熱帯低気圧の歴史的再解析記録の長さが限られていることにより、極端な嵐のリスクを信頼性高く推定することが制限されているという問題に対処すること。
• 観測された極端な状態を超える合成低気圧の経路と渦度強度をシミュレートする統計モデルを開発すること。
• 低気圧の進化における空間的・時間的ダイナミクス、特に地域的経路差異、強度の裾部の挙動、確率的終了を組み込むこと。
• 実務家が、過去に観測されたものよりも極端な嵐の発生確率、発生位置、継続期間を評価できるようにすること。
• 経路の伝播と強度の進化の両方を考慮する統合的なフレームワークを提供することにより、季節的およびNAOフェーズ別シナリオへの拡張可能性を有する。

提案手法

• モデルは、ノイズを低減するため2.8°解像度にフィルタリングした、ERA-Interim再解析データの3時間ごとの渦度データ（1979–2014年、36年分）を用いる。
• 低気圧は、1.0×10⁻⁵ s⁻¹を超える局所的渦度最大値として同定され、最近接隣接連結と滑らかさ制約を用いて経路が構築される。
• 条件付きカーネル密度推定が、経路の空間的・時間的進化をモデル化するために用いられ、バンド幅行列はルール・オブ・チム法により選択された多変量ガウスカーネルを用いる。
• モデルは、変位および方向の増分の条件付き分布からのサンプリングにより、滑らかで物理的に妥当な経路のトレースをシミュレートする。
• 低気圧の強度は、極値解析を用いて確率的にモデル化され、特に渦度最大値の裾部の挙動に注目し、よりまれで強いイベントをシミュレートする。
• 観測された減衰パターンと渦度散逸に基づいて、現実的な低気圧ライフサイクルの終了を確率的終了メカニズムで組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歴史的再解析データで観測された最も極端なイベントを超える合成熱帯低気圧の経路と渦度強度をどのようにシミュレートできるか？
• RQ2 北アトランティックにおける極端な低気圧の経路伝播と強度進化の空間的・時間的パターンは何か？
• RQ3 異なる緯度帯における低気圧行動の違い、例えば異なる緯度帯での好まれる嵐の経路をどのようにモデル化できるか？
• RQ4 条件付きカーネル密度推定は、嵐の位置と渦度強度の同時進化をどの程度うまく捉えることができるか？
• RQ5 観測されたものよりも極端な嵐をシミュレートできるモデルの能力が、インfra構造および気候適応計画のリスクアセスメントをどの程度向上させるか？

主な発見

• モデルは、北アトランティック全域における熱帯低気圧活動の観測された空間パターンを再現する合成低気圧経路を成功裏に生成した。
• 極値解析の組み込みにより、1979–2014年のデータセットで観測されたあらゆる値を超える強度の渦度最大値がシミュレート可能となり、よりまれで影響の大きいイベントの評価が可能になった。
• 条件付きカーネル密度推定は、嵐の位置と渦度の依存関係を効果的にモデル化し、非マルコフ的ダイナミクスと局所的な経路変動性を捉えた。
• モデルは、冬における低気圧経路の極へ向けた移動や、大規模な環流パターンと関連するゾーナルシフトといった、地域的差異を考慮した。
• 確率的終了メカニズムにより、物理的に不自然な無限の寿命を避ける自然な低気圧の減衰をシミュレートし、現実性が向上した。
• モデルは、北アトランティック渦動が低気圧経路の頻度と位置に顕著に影響することを踏まえ、季節的およびNAOフェーズ別シミュレーションへの拡張が可能であると示唆された。