[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究利用标准化降水指数（SPI）分析了南半球振荡指数（SOI）、太平洋十年振荡（PDO）和北大西洋振荡（NAO）对西非干旱的线性和非线性影响。结果显示，SOI与干旱呈主要正相关，而PDO和NAO则呈负相关；非线性分析表明，PDO向SPI的信息传递更强，尤其在萨赫勒地区。

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.

研究动机与目标

• 评估大尺度海洋振荡（SOI、PDO、NAO）对西非干旱动态的影响。
• 解决线性方法在捕捉气候时间序列中复杂非线性关系方面的局限性。
• 评估非线性动力学工具（互信息、相位同步）在检测气候-干旱关联中的性能与稳健性。
• 识别西非不同区域气候振荡与干旱之间遥相关强度和性质的区域差异。

提出的方法

• 基于1961–1990年气候研究单位提供的西非月度降水数据，计算了标准化降水指数（SPI）。
• 应用线性相关性和Engle-Granger协整性检验，评估SPI与振荡指数（SOI、PDO、NAO）之间的线性关系。
• 采用互信息和非线性依赖度量（H和N），检测气候指数与干旱之间微弱、非线性和非高斯依赖关系。
• 利用相位同步和非线性依赖分析，量化超越线性相关性的复杂、时滞和混沌相互作用。
• 对相关性和协整性结果进行显著性检验，并在西非空间范围内进行可视化。
• 采用非线性依赖度量 $ N^{(k)}(X|Y) $ 检测一个变量（如NAO）的接近性是否意味着另一变量（如SPI）的接近性，负值表示反向依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 SOI、PDO、NAO与干旱（SPI）在西非范围内的线性关系性质和强度如何？
• RQ2 互信息和相位同步等非线性方法如何揭示线性相关性未捕捉到的隐藏依赖关系？
• RQ3 在西非不同次区域中，SOI、PDO或NAO中哪一个对干旱变异性影响最强？
• RQ4 PDO对西非沿海地区与萨赫勒地区干旱的影响有何不同？
• RQ5 与标准相关性相比，协整性和非线性依赖度量在理解长期干旱-气候关联方面提升了多少？

主要发现

• SOI在西非大部分地区与干旱呈主要正相关，许多区域的统计显著负相关关系经协整性检验得到证实。
• PDO和NAO均与SPI呈负线性相关，其中在西非东海岸沿线关系最强。
• 互信息分析表明，PDO与SPI共享的信息最多，尤其在萨赫勒地区，表明存在强烈非线性关系。
• 非线性依赖度量 $ N $ 在NAO与SPI之间主要呈现负值，表明NAO值的接近常对应SPI值的远离，提示存在复杂且非单调的关系。
• SOI与SPI在西非沿海地区表现出正的非线性依赖，表明高SOI值常与这些地区干旱可能性增加相关。
• 萨赫勒地区表现出PDO最强的非线性影响，而沿海地区则与SOI表现出更强的非线性耦合，凸显了遥相关机制的区域差异。