復旦科學家發現利用因果人工智慧方法,可以根據太陽活動提前十年預報中太平洋型厄爾尼諾事件

對厄爾尼諾的準確預測是减灾防灾的重要前提,有助於各國政府在農業、水文、公共衛生、能源等各個方面對未來作出科學規劃。研究表明,這些預報失靈的原因,乃是厄爾尼諾的多樣性所致。最近,復旦大學大氣與海洋科學系、上海期智研究院的梁湘三、張人禾、湯緒、張峰聯合南京資訊工程大學的研究人員,在中部型厄爾尼諾預報領域取得了重大突破。

厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)是全球氣候系統中最强的年際訊號,是導致全球很多氣象災害如洪澇、乾旱、高溫、雪灾等極端天氣氣候的原因。對厄爾尼諾的準確預測是减灾防灾的重要前提,有助於各國政府在農業、水文、公共衛生、能源等各個方面對未來作出科學規劃。

厄爾尼諾的預測已經業務化,現時最長的預報時效為1-2年,但不確定性依然很大,尤其是對2014-2016年的百年最强厄爾尼諾的預報中,幾乎沒有一個模式提前一年報准。研究表明,這些預報失靈的原因,乃是厄爾尼諾的多樣性所致。以前大都只關注傳統的厄爾尼諾,即東部型厄爾尼諾(EP El Niño),而最近的厄爾尼諾事件中,中部型(CP El Niño,又稱為El Niño Modoki)占了相當的份量。迄今為止,普遍認為中部型厄爾尼諾遠較東部型厄爾尼諾難報,這也是對於2014-2016年事件各模式集體失靈的原因。

最近,復旦大學大氣與海洋科學系、上海期智研究院的梁湘三、張人禾、湯緒、張峰聯合南京資訊工程大學的研究人員,在中部型厄爾尼諾預報領域取得了重大突破。在發表於Nature出版集團旗下的《Scientific Reports》、題為“El Niño Modoki can be mostly predicted more than 10 years ahead of time”一文中,他們利用最近發展的Liang-Kleeman信息流與定量因果理論、通過多達一百多萬次基於因果的試驗結果在尋找中部型厄爾尼諾預報因數時,發現22-50年前的太陽活動與赤道太平洋海錶溫度异常具有密切聯繫,其中尤以45年前的太陽活動為甚,而且其因果結構就是中部型厄爾尼諾。基於此,太陽黑子數的滯後時間序列可張成中部型厄爾尼諾指數變化的函數空間,用新發展的、基於信息流的因果人工智慧方法可以很準確地對中部型厄爾尼諾作長達十年甚至更長的預報。注意近幾十年來中部型厄爾尼諾事件的發生頻次遠高於東部型厄爾尼諾,尤其是2000-2010年的十年裏發生了3次中部型事件(圖1),當大家都把這歸結於全球變暖時,本文的作者發現這很可能與45年前太陽這一最為活躍的時期(1955-1965)相關聯。

圖1.中部型厄爾尼諾的信息流-人工智慧預測,2008年以後為預測的結果(深色區域)。

圖中藍線為觀測結果,紅線為1000個預測值,綠線為預測平均值。

正如審稿人對本文結果的評估:“absolutely astounding”、“breathtaking and counterintuitive”、“fairly striking”。確實,如圖1所示,其預測跨度之大、預測之準確,相較現行的厄爾尼諾預報來說,著實是令人震撼的。

本文發表於Scientific Reports,論文資訊:Liang,X. S.,F. Xu,Y. Rong,R. Zhang,X. Tang,and F. Zhang,2021: El Niño Modoki can be mostly predicted more than 10 years ahead of time.Scientific Reports11,17860.

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https://doi.org/10.1038/s41598-021-97111-y

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