[논문 리뷰] Impact of large scale climate oscillation on drought in West Africa

Samuel Ogunjo, Ibiyinka Fuwape외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

Climate variability and models참고 문헌 40인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 서아프리카의 가뭄에 영향을 미치는 대규모 기후 진동—남반구 기압이석지수(SOI), 태평양 10년대 진동(PDO), 북대서양 진동(NAO)—의 선형 및 비선형 영향을 표준 강수지수(SPI)를 사용하여 조사한다. 결과적으로 SOI는 주로 가뭄과 양의 상관관계를 보이며, PDO와 NAO는 음의 상관관계를 보인다. 비선형 분석 결과, 특히 사헬 지역에서 PDO에서 SPI로의 정보 전달이 더 강하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 서아프리카의 가뭄 역학에 영향을 미치는 대규모 해양 진동(SOI, PDO, NAO)의 영향을 평가하기 위해.
• 기후 시계열에서 복잡한 비선형 관계를 포착하지 못하는 선형 방법의 한계를 해결하기 위해.
• 비선형 역학 도구(상호정보량, 단계 동기화)의 성능과 안정성을 평가하여 기후-가뭄 연관성 탐지 능력을 높이기 위해.
• 서아프리카 전역에서 기후 진동과 가뭄 간의 원거리 연관성의 강도와 성격에 대한 지역적 차이를 규명하기 위해.

제안 방법

• 1961–1990년 기간 동안 기후연구단(CRU)의 월간 강수량 자료를 사용하여 서아프리카의 표준 강수지수(SPI)를 계산하였다.
• SPI와 진동 지수(SOI, PDO, NAO) 간의 선형 관계를 평가하기 위해 선형 상관관계 및 엔글-그레징 공통 단위근사 검정을 적용하였다.
• 기후 지수와 가뭄 간의 약한 비선형 및 비정규 분포를 가진 종속성을 탐지하기 위해 상호정보량 및 비선형 의존도 측정법(H 및 N)을 활용하였다.
• 선형 상관관계를 초월한 복잡한 시간 지연 및 혼돈적 상호작용을 정량화하기 위해 단계 동기화 및 비선형 의존도 분석을 사용하였다.
• 상관관계 및 공통 단위근사 결과에 대한 유의성 검정을 실시하였으며, 서아프리카 전역에 걸쳐 공간적 시각화를 수행하였다.
• 비선형 의존도 측정법 $ N^{(k)}(X|Y) $ 를 활용하여, 한 변수(예: NAO)의 근접성이 다른 변수(예: SPI)의 근접성을 의미하는지 확인하였으며, 음수 값은 반대 의존성을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서아프리카 전역에서 SOI, PDO, NAO와 가뭄(SPI) 간의 선형 관계의 성격과 강도는 어떠한가?
• RQ2 상호정보량 및 단계 동기화와 같은 비선형 방법은 선형 상관관계가 포착하지 못한 숨겨진 종속성을 어떻게 드러내는가?
• RQ3 SOI, PDO, NAO 중 어느 대규모 진동이 서아프리카의 다양한 하위 지역에서 가뭄 변동성에 가장 강한 영향을 미치는가?
• RQ4 서아프리카의 해안 지역과 사헬 지역 간에 PDO가 가뭄에 미치는 영향에는 어떤 차이가 있는가?
• RQ5 공통 단위근사 및 비선형 의존도 측정법은 기존 상관관계에 비해 장기적 가뭄-기후 연관성 이해를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• SOI는 서아프리카 전역에서 주로 양의 상관관계를 보였으며, 많은 지역에서 통계적으로 유의미한 음의 상관관계를 보였으며, 공통 단위근사 검정으로 확인되었다.
• PDO와 NAO는 모두 SPI와 음의 선형 상관관계를 보였으며, 특히 서아프리카 동부 해안 지역에서 가장 강한 음의 관계를 보였다.
• 상호정보량 분석 결과, PDO는 SPI와 가장 많은 정보를 공유하였으며, 특히 사헬 지역에서 강한 비선형 관계를 나타내었다.
• 비선형 의존도 측정법 $ N $ 은 NAO와 SPI 간에 주로 음수 값을 보였으며, 이는 NAO 값의 근접성이 종종 SPI 값과의 거리와 관련이 있음을 의미하여, 복잡하고 단조로우지 않은 관계를 시사한다.
• SOI는 서아프리카 해안 지역에서 SPI와 양의 비선형 의존성을 보였으며, 이는 고 SOI 값이 해당 지역에서 가뭄 발생 가능성을 증가시킨다는 것을 의미한다.
• 사헬 지역은 PDO의 비선형 영향이 가장 두드러졌고, 해안 지역은 SOI와 더 강한 비선형 결합을 보였으며, 이는 원거리 연관성 메커니즘에서 지역적 차이를 반영한다.