Czy pogodę zimową da się przewidzieć na… 10 lat naprzód?

Modele cyrkulacji zwykle potrafią wiarygodnie przepowiadać pogodę na co najwyżej 5 do 6 dni naprzód. Dlatego prognozy sezonowe w większości są nie lepsze niż wyniki rzucania monetą. Są jednak wyjątki, z czego najbardziej znanym jest przepowiadanie znaku zimowego indeksu NAO z wyprzedzeniem wielu miesięcy. Sam to robiłem z powodzeniem wiele razy zanim kosa trafiła na kamień tej zimy, stosując metody z opublikowanych prac naukowych (ostatnim razem zabrakło mi nieco wiary, że możemy mieć kolejną zimę z dodatnim NAO). A ponieważ indeks NAO bardzo silnie wpływa na to jaką będziemy mieli zimę, nie jest to coś be znaczenia praktycznego. Szczególnie gdy właśnie ukazał się artykuł, twierdzący, że da się zimowe NAO przewidzieć… na wiele lat naprzód.

Met Office już kilka lat temu twierdził w prasie naukowej [1], że jest w stanie zimowe NAO (czyli zasadniczo i temperaturę) przewidywać na rok na przód, ale… tego nie robił. Coś jak “A dziad wiedział, nie powiedział, a to było tak”. Ale coś wiemy o tym “tak” z tego artykułu. A mianowicie wiadomo jakie parametry używali w tej czysto statystycznej prognozie (i jak się one korelują z zimowym NAO). A są to:

  1. ENSO (indeks cyklu El Nino/La Nina),
  2. siła “wiru polarnego” (ale w listopadzie co mi niezbyt pasuje do rocznej prognozy),
  3. atlantycki układ temperatur powierzchni morza (słynna “trójbiegunowka” Met Office’u),
  4. lód morski na Morzu Kara.

Praca ta była kulminacją ich wieloletnich wysiłków, dających stopniowo coraz lepsze prognozy zimowego NAO, najpierw za pomocą modeli statystycznych, czyli opartych o obserwowane korelacje między zimowym NAO, a różnymi zjawiskami (jak wyżej) wiele miesięcy naprzód, a później także modelami cyrkulacji asymilującymi wartości tych parametrów. W pracy [1] twierdzili już, że są w stanie przewidzieć NAO na rok naprzód.

Teraz poszli jeszcze dalej i twierdzą, że da się znaku zimowego NAO, a zatem temperaturę i opady np. w Europie przewidzieć w skali dekadowej przy pomocy wiązki modeli. Tak, do 10 lat naprzód. Jest o tym nowy artykuł datowany dzisiaj [2]. Większość autorów obu prac jest ta sama.

W pracy użyli wiązki 169 realizacji 9 modeli z projektu Coupled Model Intercomparison Project (CMIP), w którym rozmaite modele klimatyczne stosują te same wymuszenia w celu ich porównania, a także przygotowywania projekcji klimatycznych do raportów IPCC. W tej pracy użyto zarówno CMIP5 (do poprzedniego raportu z 2013 roku) jak i CMIP6 do następnego, który się niedługo ukaże. Rysunek 1 pokazuje po lewej wyniki (średnia to czerwona linia i zasięg wartości na różowo) prognozowania zimowego NAO (grudzień-marzec) z wyprzedzeniem 2 do 9 lat dla lat 1960-2005,w porównaniu do jego obserwowanych wartości (czarna linia). W sumie porażka, nieprawdaż? I parę poprzednich prac tak podobne wyniki oceniło. Smith i koledzy z Met Office zauważyli, że modele przewidują za małą zmienność zimowego NAO (to jedna z konkluzji pracy) postanowili przeskalować wyniki wiązki do wartości zmienności wyników obserwacji. Czyli po prostu powiększyli kilka razy wartość średniej prognozy z wiązki przy pomocą sprytnego triku z powiększeniem ilości prognoz (patrz niżej). I oto jak królik z cylindra ukazuje się całkiem udana prognoza zimowego NAO, przypominam na 2-9 lat naprzód (Rys 1 po prawej).

Rys. 1
Rys. 1 Prognoza zimowego NAO dla całej wiązki i wyprzedzenia 2-9 lat (a) oraz jedynie dla wyprzedzenia 4-9 lat, przeskalowana tak aby zmienność była identyczna jak dla obserwacji (b).

Wynik niezły ale autorzy poszli jeszcze dalej. Jeśli się sztucznie zwiększy zmienność prognozy to „pompuje” się nie tylko wpływ czynników sterujących wartością NAO ale także i pozostałych, np. rosnącego wymuszenia gazów cieplarnianych. Jak tego uniknąć? Rozwiązali to wybierając podzbiór kilku modeli najlepiej przewidujących NAO (w praktyce tych, które najbliższe były do średniej prognozy NAO dla wiązki). Istotnie polepszyło to jakość prognozy temperatur (Rys. 2), a także pola ciśnień i co ciekawe opadów (te najtrudniej przewidzieć).

Rys. 2
Rys. 2. Dekadowe prognozy dla okresu szczególnie dodatnich wartości zimowego NAO (1986-1997): wartości obserwowane (a), prognoza całej wiązki (4-9 lat wyprzedzenia) (b), prognoza z przeskalowaną zmiennością (c) oraz prognoza na podstawie podzbioru prognoz najlepiej odwzorowujących NAO w całym przebiegu

Czyli wynika z tego, że NAO jest przewidywalne na wiele lat naprzód. Przyczyną musi być wolna zmienność temperatur wód północnego Atlantyku. Co ciekawe ta ich pod-wiązka dobrana pod względem wierności przebiegu indeksu NAO lepiej przepowiada temperatury powierzchniowe Atlantyku niż cała wiązka, ale na odwrót (pod-wiązka dobrana pod względem wiernego prognozowania temperatur) już trochę gorzej co autorzy interpretują jako znak, że zimowe NAO zależy nie tylko od temperatur Atlantyku (nic nowego: sami powinni to wiedzieć ze swoich poprzednich prac, np. [1]).

Konkluzją artykułu jest to, ze modele mają za małą zmienność indeksów klimatycznych, nie tylko NAO z czego ma płynąć wniosek, ze nie tylko NAO da się przewidzieć na wiele lat naprzód. Ale nie uwierzę póki nie zobaczę wyników.

Mam tez kilka wątpliwości (prawdziwy naukowiec zawsze musi coś wyłapać bo inaczej ie nadawałby się na recenzenta): – Nie rozumiem do końca sposobu w jaki zwiększono zmienność i poprawiono prognozę. Z tekstu zrozumiałem że jest to odrzucenie prognoz na 2 i 3 lata, a zostawienie na 4 do 9 które w jakiś sposób polepsza wyniki. Czy nie powinno być odwrotnie? Z korespondencji z pierwszym autorem wiem, że jest to “użycie lat 2-9 z czterech ostatnich prognoz” ale też nie powiem abym to do końca rozumiał. I dlaczego nie pokazano jak jakość prognozy zależy od liczby lat od jej startu. – Dlaczego prognozy kończą się na roku 2005? Po części pewnie dlatego, ze CMIP5 nie był startowany później ale CMIP6 był. I dlaczego wynik obcięty jest przed rokiem 2010 z rekordowo ujemnym NAO, skoro 2005 + 9 = 2014? – I czy rzeczywiście da się to powtórzyć dla jakiegoś innego indeksu klimatycznego lub parametru meteorologicznego? Ale tak czy siak prognoza NAO na kilka lat naprzód ze skillem 0,79 to szok.

PS. Poprawiłem nieco opis tej “opóźnionej wiązki”, która powiększa zmienność i polepsza prognozę dzięki odpowiedzi jakiej na moje pytanie udzielił Doug Smith, pierwszy autor (7 sierpnia 2020 r.).

[1] Dunstone, N., Smith, D., Scaife, A. et al. Skilful predictions of the winter North Atlantic Oscillation one year ahead. Nature Geosci 9, 809–814 (2016). https://doi.org/10.1038/ngeo2824

[2] Smith, D.M., Scaife, A.A., Eade, R. et al. North Atlantic climate far more predictable than models imply. Nature 583, 796–800 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2525-0

Niniejszy wpis ukazuje się równolegle na blogu Meteomodel

Hits: 672

Subscribe
Notify of
guest

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

9 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
Piotr
Piotr
1 month ago

Bardzo się ucieszyłem, zauważając niespodziewanie nowy wpis w czytniku RSS! Świetny artykuł!

zbig
zbig
1 month ago

Pisałem już na blogu meteomodel, powtórzę i tutaj, może nieco innymi słowami. Jestem mocno sceptyczny, bo wygląda to bardziej na “zabawę” z wiązkami modeli post factum tak, by odpowiednio dopasować je do zaobserwowanych już danych rzeczywistych. Plus to, co piszesz o podejrzanym zakresie czasowym, obcięciu wyników przed 2010…Na podobnej zasadzie być może dałoby się dobrać i “przeskalować” wiązki GFS, ECMWF itd i pokazać jak to wspaniale przewidziały temperaturę za 10-14 dni.
A przede wszystkim: dlaczego w takim razie państwo z Met Office nie opublikowali prognozy NAO na 10 lat np do 2030, byśmy mogli ją w najbliższych latach weryfikować? Zamiast tego pokazują nam “prognozy” na okres ponad 10 lat wstecz…

doskonaleszare
doskonaleszare
1 month ago
Reply to  arctic_haze

O ile dobrze rozumiem artykuł, nie przewiduje się w nim jednorocznych wartości NAO ani innych indeksów z wyprzedzeniem 2 do 9 lat (ani 4-9 lat), tylko NAO uśrednione w okresie 2-9 lat. Przewidywana jest więc ruchoma średnia 8-letnia, co wyjaśnia dlaczego “wynik obcięty jest przed rokiem 2010”, i dlaczego tego “rekordowo niskiego” NAO z 2010 nie widać w prognozie. Bardziej więc przewidują klimat, niż pogodę.

Wydaje mi się też, że wyniki są polepszone nie po “odrzuceniu prognoz na 2 i 3 lata”, ale po zwiększeniu liczby członków wiązki z 169 do 676 poprzez stworzenie “lagged ensemble”, co zwiększa SNR. Wyjście poza rok 2005 i ograniczenie się tylko do symulacji z CMIP6 oznaczałoby redukcję rozmiaru wiązki o 49, więc można podejrzewać że byłaby ona za mała by dało się pokazać interesujące wyniki.

Prognoz do 2030 roku (zakładając, że chodzi o średnią wartość prognozy na lata 2023-2030) nie można wyprodukować metodą opisaną w artykule z tego prostego powodu, że wymagałoby to wykonania kilkuset symulacji inicjalizowanych obserwacjami z roku 2021. Biorąc pod uwagę to, jak czasochłonne jest zaprojektowanie, skoordynowanie, przygotowanie, przeprowadzenie i opublikowanie wyników takich symulacji, nieuniknione jest, w najlepszym wypadku, kilka lat opóźnienia, więc dopóki ktoś nie wyłoży pieniędzy żeby takie duże wiązki produkować regularnie, najlepsze co można osiągnąć to pokazanie że dla danych z przeszłości ta metoda działa. Z naukowego punktu widzenia przyszłość jest mniej użyteczna, bo to tylko kilka dodatkowych lat potencjalnych danych, a hindcasty można robić dla lat kilkudziesięciu.

No i o ile rozumiem artykuł Dunstone’a, to pokazuje on prognozę na następną zimę, tj. 2016-2017, jest to ostatni punkt na rys. 1b, inicjalizowaną danymi z listopada 2015.

doskonaleszare
doskonaleszare
1 month ago
Reply to  arctic_haze

No tak, i oczywiście przyłączam się do głosów przedmówców – dzięki za reaktywację bloga!

A wymowę omawianego artykułu mam za bardziej pesymistyczną niż wynikałoby z tego co mówią autorzy. Tak, fajnie że wymuszony sygnał NAO jest bardziej przewidywalny niż sugerują modele, ale co z tego jeśli trzeba te modele poprawić, albo wyciągać sygnał z absurdalnie dużych wiązek. W obu przypadkach oznacza to, że dekadowe prognozy klimatu są co najmniej o dekadę od praktycznego wdrożenia… I to wciąż przy założeniu, że ten wymuszony sygnał faktycznie tam jest.