[论文解读] Structural break models of climatic regime-shifts: claims and forecasts

David Stockwell, Anthony Cox|ArXiv.org|Jul 9, 2009

Climate variability and models参考文献 34被引用 3

一句话总结

本研究运用 Chow 检验分析结构突变，以评估关于全球及澳大利亚气温数据中气候制度转换的主张。研究在 1978 年（全球与澳大利亚气温）和 1982 年（澳大利亚降雨量）识别出显著的断点，支持自然海洋制度转换——特别是 1976–1979 年太平洋十年涛动转变——解释了大部分观测到的变暖现象，将估算的人为全球变暖速率降低至每十年 0.05°C。

ABSTRACT

A Chow test for structural breaks in the surface temperature series is used to investigate two common claims about global warming. Quirk (2009) proposed that the increase in Australian temperature from 1910 to the present was largely confined to a regime-shift in the Pacific Decadal Oscillation (PDO) between 1976 and 1979. The test finds a step change in both Australian and global temperature trends in 1978 (HadCRU3GL), and in Australian rainfall in 1982 with flat temperatures before and after. Easterling & Wehner (2009) claimed that singling out the apparent flatness in global temperature since 1997 is 'cherry picking' to reinforce an arbitrary point of view. On the contrary, we find evidence for a significant change in the temperature series around 1997, corroborated with evidence of a coincident oceanographic regime-shift. We use the trends between these significant change points to generate a forecast of future global temperature under specific assumptions.

研究动机与目标

• 检验关于全球与澳大利亚气候数据中声称的制度转换的统计显著性。
• 评估自 1997 年以来看似平缓的气温趋势是否具有统计学依据，或是否属于‘挑选数据’。
• 评估结构突变模型相较于线性趋势，是否能更好地拟合全球与区域气温序列。
• 在结构突变假设下预测未来全球气温，以区分人为变暖与自然变异性。
• 考察海洋制度转换——特别是太平洋十年涛动及其相关海洋变化——在调节全球气温趋势中的作用。

提出的方法

• 应用 Chow 检验（F 统计量）检测年均气温与降雨量异常时间序列中的结构突变。
• 使用 R 包 'strucchange' 计算数据中所有潜在断点处的 F 统计量。
• 分析 HadCRU3GL 全球月度气温异常数据与澳大利亚气象局（BoM）提供的澳大利亚气温与降雨量数据（1910–2008 年）。
• 将时间序列在识别出的断点周围划分为不同线性趋势段，以估算断点后的趋势。
• 结合海洋学证据（如上升流变化、海表温度异常、水体输送量）以佐证结构突变的时间点。
• 通过假设持续的人为变暖趋势且无新制度转换，基于断点后趋势外推预测未来全球气温。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据结构突变分析，澳大利亚气温中声称的 1976–1979 年制度转换是否具有统计显著性？
• RQ2 自 1997 年以来看似平缓的全球气温趋势是否代表显著的结构突变，还是‘挑选数据’的结果？
• RQ3 海洋学制度转换（如太平洋十年涛动转变）在多大程度上解释了观测到的气温趋势？
• RQ4 当考虑结构突变时，与假设线性趋势相比，人为全球变暖速率的估算值有何变化？
• RQ5 当使用结构突变模型而非线性趋势模型时，对未来气候预测有何影响？

主要发现

• 在 1978 年（HadCRU3GL）检测到全球地表气温趋势的显著结构突变，斜率从断点前的趋势变为断点后更陡峭的趋势。
• 在 1982 年识别出澳大利亚降雨量的显著结构突变，断点前后气温趋势均为平缓，表明是降水而非气温的制度转换。
• 在考虑 1978 年制度转换后，估算的人为变暖速率从约 0.14°C/十年降至约 0.05°C/十年，表明自然变异性起着关键作用。
• 1997 年断点具有统计显著性，支持自 1997 年以来气温趋势平缓并非随意，而是反映了真实的气候制度转换。
• 海洋学证据——包括赤道上升流减弱、水体输送变化及海表温度异常——佐证了 1976–1979 年制度转换的时间点。
• 在结构突变模型下进行预测，假设持续的人为全球变暖且无新制度转换，预计全球气温将在约 2050 年前保持近稳定，之后到 2100 年上升至较当前水平约 0.2°C。