[論文レビュー] Impact of large scale climate oscillation on drought in West Africa

Samuel Ogunjo, Ibiyinka Fuwape+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Climate variability and models参考文献 40被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、西アフリカにおける干ばつに及ぼす大規模気候振動（南半球振動指数：SOI、パシフィック・デカドナル・オシレーション：PDO、北大西洋振動：NAO）の線形および非線形な影響を、標準化降水量指数（SPI）を用いて調査している。結果として、SOIは主に正の相関を示すが、PDOおよびNAOは負の相関を示す。非線形解析では、特にサヘル地域において、PDOからSPIへの情報伝達が顕著に強いことが明らかになった。

ABSTRACT

Drought poses a significant threat to the delicate economies in subsaharan Africa. This study investigates the influence of large scale ocean oscillation on drought in West Africa. Standardized Precipitation Index for the region was computed using monthly precipitation data from the Climate Research Unit during the period 1961 -1990. The impact of three ocean oscillation indices - Southern Ocean Index (SOI), Pacific Decadal Oscillation (PDO) and North Atlantic Oscillation (NAO) on drought over West Africa was investigated using linear correlation, co-integration test, mutual information and nonlinear synchronization methods. SOI showed predominantly positive correlation with drought over the region while PDO and NAO showed negative correlation. This was confirmed by the co-integration tests. The nonlinear test revealed more complex relationship between the indices and drought. PDO has lesser influence or contribute less to the drought in the coastal region compared to the Sahel region of West Africa.

研究の動機と目的

• 西アフリカにおける干ばつダイナミクスに及ぼす大規模な海洋的振動（SOI、PDO、NAO）の影響を評価すること。
• 気候時系列における複雑な非線形関係を捉えるために線形手法の限界を解消すること。
• 非線形力学的ツール（相互情報量、位相同期）が気候-干ばつ連関を検出する際の性能と頑健性を評価すること。
• 西アフリカ全域における気候振動と干ばつとの間のテレコネクションの強さと性質の地域的差異を特定すること。

提案手法

• 西アフリカの月間降水量データ（1961–1990年）を用いて、気候研究ユニット（Climate Research Unit）のデータから標準化降水量指数（SPI）を計算した。
• SOI、PDO、NAOの各インデックスとSPIとの間の線形関係を評価するため、線形相関およびEngle-Grangerの共統合検定を適用した。
• 気候インデックスと干ばつとの間の弱い非線形的・非ガウス的依存関係を検出するため、相互情報量および非線形依存度（HおよびN）を用いた。
• 線形相関を超える複雑で時間遅れのある、およびカオス的な相互作用を定量化するため、位相同期および非線形依存解析を実施した。
• 相関および共統合の結果に対して有意性検定を実施し、西アフリカ全域にわたる空間的可視化を実現した。
• 非線形依存度測定式 $ N^{(k)}(X|Y) $ を用いて、ある変数（例：NAO）の値が近接している場合に、別の変数（例：SPI）の値が近接するかどうかを検出した。負の値は逆依存関係を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOI、PDO、NAOと干ばつ（SPI）との間の線形関係の性質および強さは、西アフリカ全域でどのように特徴づけられるか？
• RQ2 相互情報量や位相同期といった非線形手法は、線形相関では捉えきれない隠れた依存関係をどのように明らかにするか？
• RQ3 SOI、PDO、NAOの中では、どの大規模な振動が西アフリカの異なる亜地域における干ばつ変動に最も強い影響を及ぼしているか？
• RQ4 西アフリカの沿岸地域とサヘル地域とで、PDOが干ばつに与える影響はどのように異なるか？
• RQ5 共統合および非線形依存度測定法は、標準的相関と比較して、長期的な干ばつ-気候連関の理解をどの程度向上させるか？

主な発見

• SOIは西アフリカ全域で主に正の相関を示したが、多くの地域で統計的に有意な負の相関が確認され、共統合検定でも裏付けられた。
• PDOおよびNAOの両方ともSPIに対して負の線形相関を示したが、特に西アフリカの東海岸に沿って最も強い負の関係が観察された。
• 相互情報量の分析により、PDOがSPIと最も多くの情報を共有していることが判明し、特にサヘル地域で強い非線形的関係が示された。
• 非線形依存度測定値 $ N $ は、NAOとSPIとの間に主に負の値を示しており、NAOの値が近接している場合にSPIの値が離れている傾向があることを示し、複雑で単調でない関係が存在することを示唆している。
• SOIは西アフリカの沿岸部でSPIとの間で正の非線形的依存を示しており、これはSOIの高値がこれらの地域で干ばつ発生の可能性を高めることを示している。
• サヘル地域ではPDOの非線形的影響が最も顕著に現れたが、沿岸地域ではSOIとの非線形的結合が強く、テレコネクションメカニズムにおける地域的差異が顕在化した。