[논문 리뷰] 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 Lucarini외 1명|MPG.PuRe (Max Planck Society)|2018. 07. 22.

Climate variability and models인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단순화된 대기일반순환모델에서 지속적인 폭염과 한파를 분석하기 위해 대규모 이탈 이론(LDT)을 적용한다. 근지표 온도의 대규모 이탈 비율 함수를 추정함으로써 온도 극단의 척도 불변의 보편성을 밝혀내며, 중간 크기의 공간 척도가 대규모 이탈에 가장 유리함을 밝혀내어 저주파 대기 변동과의 연관성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 이탈 이론(LDT)을 사용하여 폭염과 한파와 같은 지속적이고 공간적으로 확장된 온도 이상 현상의 통계적 성질을 조사한다.
• LDT가 단순화된 그러나 지구 유사의 대기 모델에서 극단 기후 사건의 발생 확률을 포착할 수 있는지 평가한다.
• 중위도 대기역학에서 다양한 공간 및 시간 척도에서 대규모 이탈 비율 함수의 보편성을 탐구한다.
• 특히 장기간 지속되고 광범위한 공간을 차지하는 사건을 포함한 기후 시스템에서 희귀사건의 발생 확률을 추정하는 데 LDT가 얼마나 유용한지 평가한다.
• 비정상성과 다중 척도 상관관계 등의 과제를 식별함으로써, 실제 기후 데이터와 최신 기후 모델에 LDT를 적용하기 위한 기초를 마련한다.

제안 방법

• 근지표 온도의 장기간 시계열을 생성하기 위해 대기의 단순화된 일반순환모델(GCM)을 수치 시뮬레이션한다.
• 장기간 동안의 평균 통계를 사용하여 고정된 위도에서의 온도 평균에서 대규모 이탈 비율 함수(LDRF)를 추정한다.
• 공간적으로 국한된 장기 평균과 위도 원을 따라 시간적으로 국한된 대규모 공간 평균 통계에서 구한 LDRF를 비교한다.
• 다양한 평균화 방법에 걸쳐 LDRF의 척도 대칭성과 보편성을 검증하기 위해 통합 자기상관을 기반으로 재정규화를 적용한다.
• 희귀사건 발생 확률의 LDT 기반 추정치를 검증하기 위해 극단가치이론(EVT)을 기준으로 삼는다.
• 지속적인 극단과 관련된 대규모 이탈을 탐지하기 위한 최적의 구성 요건을 식별하기 위해 중간 척도의 공간 평균을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 이탈 이론은 폭염과 한파와 같은 지속적이고 공간적으로 확장된 온도 이상 현상의 발생 확률을 효과적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 다양한 공간 및 시간 평균화 방법에 걸쳐 온도에 대한 대규모 이탈 비율 함수가 보편적인 형태를 취하는가?
• RQ3 중간 크기의 공간 척도에서 대규모 이탈의 가능성이 최대가 되는가? 이는 저주파 대기 변동과의 연관성을 시사하는가?
• RQ4 지구물리 시스템에서 시간적·공간적 상관관계가 존재할 경우, 대규모 이탈 법칙의 수렴성과 보편성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LDT는 계절 주기나 기후 변화 추세 등의 비정상성을 포함한 실제 기후 데이터에 얼마나 잘 적응할 수 있는가?

주요 결과

• 통합 자기상관을 기반으로 재정규화한 후, 중간 크기의 공간 평균에서 유도된 대규모 이탈 비율 함수가 장시간 국소 시간 평균에서 구한 함수와 일치함을 확인하여 척도 대칭성과 보편성을 입증하였다.
• 중간 크기의 공간 척도에서 시간 평균된 공간 평균에 적용했을 때, 대규모 이탈 비율 함수는 폭염과 한파를 모두 성공적으로 기술하였다.
• 온도 장이 중간 크기의 공간 척도에서 분석될 경우 대규모 이탈의 가능성이 가장 높으며, 이는 블로킹 현상과 같은 저주파 대기 패tern과의 물리적 연관성을 시사한다.
• 이dealized 모델에서는 추정된 비율 함수가 대칭적이며, 극단적 난기류와 냉기류의 발생 가능성이 동일함을 의미하지만, 수증기 영향으로 인해 실제 데이터에서는 비대칭성이 예상된다.
• LDT와 극단가치이론(EVT)의 결과 간 양호한 일치는, LDT가 다차원 혼돈 시스템에서 희귀사건 발생 확률을 추정하는 데 있어 강건함을 입증한다.
• 본 연구는 LDT를 실제 기후 데이터에 확장하기 위한 기초를 제공하며, 비정상성과 다중 척도 상관관계를 다루기 위한 실용적 적용 방법을 제안한다.