[论文解读] Five year ahead prediction of Sea Surface Temperature in the Tropical Atlantic: a comparison between IPCC climate models and simple statistical methods

Thomas Laepple, Stephen Jewson|ArXiv.org|Jan 15, 2007

Tropical and Extratropical Cyclones Research参考文献 1被引用 10

一句话总结

本研究比较了使用IPCC气候模型与一种简单统计方法（8年平线平均）对热带大西洋海表温（SST）进行五年期预测的表现。尽管气候模型具有复杂的物理机制，但统计模型表现更优，尤其在模型缺乏真实初始条件或火山强迫的情况下。研究结论认为，由于复杂度较低且技能相当或更优，统计方法在短期飓风活动预测中更具可靠性。

ABSTRACT

There is a clear positive correlation between boreal summer tropical Atlantic sea-surface temperature and annual hurricane numbers. This motivates the idea of trying to predict the sea-surface temperature in order to be able to predict future hurricane activity. In previous work we have used simple statistical methods to make 5 year predictions of tropical Atlantic sea surface temperatures for this purpose. We now compare these statistical SST predictions with SST predictions made by an ensemble mean of IPCC climate models.

研究动机与目标

• 评估最先进的IPCC气候模型是否能在预测五年期热带大西洋海表温（SST）方面优于简单的统计方法。
• 评估在理想条件下（即完全掌握未来气候强迫）气候模型的预测技能，与依赖历史SST趋势的统计模型进行比较。
• 确定气候模型的复杂性是否足以证明其在0–5年时间尺度上用于飓风活动预测时优于更简单的统计方法。
• 探究内部气候变异性及外部强迫（如火山活动）在决定十年期预测时间尺度上模型表现中的作用。

提出的方法

• 使用HADISST数据集（1860–2005年）的历史SST数据，聚焦于7月至9月期间的主发展区域（10°–20°N，15°–70°W）。
• 应用一种统计模型——“8年平线”模型，该模型将未来SST预测为过去八年SST的简单平均值。
• 采用IPCC 20世纪模拟中22个耦合大气-海洋气候模型的集合平均值，并分为包含与不包含火山强迫的两类。
• 通过使用过去八年观测SST数据对模型预测进行偏差校正，使模型均值与当前条件对齐，从而实现与统计模型的公平比较。
• 使用相同的八年窗口对两类模型进行校准，以确保若模型预测恒定SST，则两者将产生完全相同的预测结果。
• 通过比较预测SST与实际SST的均方根误差（RMSE），在五年预测提前期上评估预测技能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完全掌握未来强迫条件的前提下，IPCC气候模型是否能在预测五年期热带大西洋SST方面优于简单的统计模型？
• RQ2 与统计方法相比，包含真实火山强迫的模型在多大程度上提升了其预测技能？
• RQ3 气候模型所模拟的内部变异性是否为其提供了相对于依赖历史平均值的统计模型的预测优势？
• RQ4 与统计模型相比，气候模型的性能随时间推移如何退化？这对它们的长期可靠性意味着什么？
• RQ5 在何种条件下，气候模型可能最终在十年期SST预测中超越统计模型的预测技能？

主要发现

• 即使在模型完全掌握除火山强迫外的所有其他气候强迫的情况下，不包含火山强迫的气候模型也表现不如8年平线统计模型。
• 包含完美火山强迫预测的气候模型在五年以内的预测提前期内略有优于统计模型，但该优势在五年后迅速减弱。
• 不包含火山强迫的气候模型在前五年仅略优于统计模型，但其误差随预测提前期增加而更快上升，表明其有偏离观测条件的趋势。
• 两类模型的主要技能来源在于偏差校正，该校正使预测与当前十年期变异性水平对齐——这表明真正的预测能力源于捕捉当前内部变异性阶段。
• 气候模型表现不佳的主要原因在于随机初始条件以及无法维持真实的内部变异性模式，导致系统性漂移，从而随时间推移降低预测准确性。
• 鉴于气候模型在计算成本和复杂性方面远高于统计模型，而后者在性能上相当或更优，作者得出结论：在0–5年飓风活动预测中，统计方法更具优势。