[論文レビュー] Coexchangeable process modelling for uncertainty quantification in joint climate reconstruction

Lachlan Astfalck, Daniel Williamson+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2021

Cryospheric studies and observations被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、複数の空間時系列気候境界条件（特に最後の氷期最大期における海面水温と海氷濃度）のスケーラブルかつ統計的に整合性のある同時不確実性評価を可能にする共交換可能プロセスモデルを提案する。マルチモデルアンサンブルと観測データを組み合わせることで、ベイズ線形手法を用いて、統計的に整合性があり計算効率の高い再構築が実現され、標準的な境界条件に顕著なバイアスが存在することが明らかになり、それらが氷床シミュレーションに大きな影響を及ぼすことが示された。境界条件の変動に起因する氷床高さの不確実性は、高さの5–10％に達する。

ABSTRACT

Any experiment with climate models relies on a potentially large set of spatio-temporal boundary conditions. These can represent both the initial state of the system and/or forcings driving the model output throughout the experiment. Whilst these boundary conditions are typically fixed using available reconstructions in climate modelling studies, they are highly uncertain, that uncertainty is unquantified, and the effect on the output of the experiment can be considerable. We develop efficient quantification of these uncertainties that combines relevant data from multiple models and observations. Starting from the coexchangeability model, we develop a coexchangable process model to capture multiple correlated spatio-temporal fields of variables. We demonstrate that further exchangeability judgements over the parameters within this representation lead to a Bayes linear analogy of a hierarchical model. We use the framework to provide a joint reconstruction of sea-surface temperature and sea-ice concentration boundary conditions at the last glacial maximum (19-23 ka) and use it to force an ensemble of ice-sheet simulations using the FAMOUS-Ice coupled atmosphere and ice-sheet model. We demonstrate that existing boundary conditions typically used in these experiments are implausible given our uncertainties and demonstrate the impact of using more plausible boundary conditions on ice-sheet simulation.

研究の動機と目的

• 地球システムモデルで用いられる空間時系列気候境界条件における不確実性評価の重要なギャップを埋めるため、特に古気候シミュレーションを対象とする。
• マルチモデルアンサンブルと疎な観測データを用いて、海面水温や海氷濃度といった複数の相関する気候場を統計的に厳密かつ計算的に効率的な方法で同時に再構築するための手法を開発する。
• 氷床モデルで一般的に用いられる境界条件が、不確実性を適切に評価した場合に現実的でないことが示され、それらがシミュレートされた氷床動態に与える影響を評価する。
• ハイパーパrameterベイズモデルの代替として、スケーラブルな推論を可能にしつつ、グループレベル推定や条件付き交換可能性といった重要な推論的性質を保持するベイズ線形手法を提供する。
• 境界条件の不確実性がモデルの結果に顕著に影響を与えるような、他の地球システムモデリングの応用分野へ一般化可能なフレームワークを確立する。

提案手法

• Rougierら（2013）の共交換可能モデルを、変数間の条件付き交換可能性の判断を導入することで、複数の相関する空間時系列フィールドに拡張する。
• Hodges（1998）の再パラメータライゼーションを用いて、ハイパーパラメータベイズモデルのベイズ線形アナロジーを構築し、事前分布の平均と共分散のみで効率的な推論を可能にする。
• 幾何的更新を適用することで、完全な尤度評価を必要とせずに、大規模な空間時系列データセットに対してスケーラブルかつ逐次的な推論を実現する。
• FAMOUS-Iceカップリング大気-氷床モデルの出力とプロキシデータ、マルチモデルアンサンブル（MME）を組み合わせ、最後の氷期最大期（23–19 kya）におけるSSTおよびSICを同時に再構築する。
• モデルおよびフィールド間の交換可能性仮定を用いて情報のプールを実現しバイアスを低減するとともに、再構築された境界条件の不確実性を定量的に評価する。
• 再構築された境界条件と標準的な境界条件を用いて氷床シミュレーションを走らせ、得られた氷床の幾何学的形状と動態を比較することで、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の相関する気候境界条件（例：SSTおよびSIC）の不確実性を、スケーラブルかつ統計的に整合性のある方法で同時に評価するにはどうすればよいか？
• RQ2 不確実性を適切に考慮した場合、氷床モデルで一般的に用いられる固定境界条件は、現実的再構築からどの程度逸脱しているか？
• RQ3 境界条件の不確実性は、過去の氷床の幾何学的形状と動態にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 ベイズ線形手法は、複雑で高次元の空間時系列問題に対して、完全なベイズ階層モデルの代替として計算的に実行可能であるか？
• RQ5 マルチモデルアンサンブルと疎な観測データをどのように組み合わせれば、古気候応用分野におけるより現実的かつ頑健な気候再構築を達成できるか？

主な発見

• 不確実性を適切に評価した場合、氷床シミュレーションで用いられる標準的な境界条件は現実的でないことが判明し、現在の実務における顕著なバイアスが示された。
• 共交換可能プロセスモデルを用いたSSTおよびSICの同時再構築により、これらの境界条件の不確実性が、シミュレートされた氷床高さに5–10％のばらつきを引き起こすことが明らかになった。
• 境界条件の不確実性は、氷床動態に顕著で無視できない影響を及ぼし、成長および崩壊の傾向に影響を与える。
• 提案手法により、完全な尤度計算を必要とせず、大規模な空間時系列フィールドにおいてもスケーラブルかつ効率的な推論が可能となり、高解像度気候モデリングに実用的であることが示された。
• このフレームワークは、気候変数間の複雑な依存関係を適切に捉え、グループレベルの個別推定を可能にするという、単純なプール手法とは対照的な主要な利点を有する。
• 境界条件のバイアスを同時再構築によって是正することで、より物理的に現実的な氷床シミュレーションが得られ、過去の気候-氷床相互作用の理解が向上することが結果から示された。