基于临界慢化和信息传输理论的气候突变早期预警信号研究

Abrupt climate change may have a disastrous impact on human society and the ecological environment, and even cause the decline of civil society. Because of the complexity of the climate system, the existing climate models are almost unable to accuratly predict the occurrence of an abrupt climate change. Therefore, it is very important to study the early warning signals of abrupt climate change. At present, most of the studies on abrupt climate change are mainly focused on developing the detection methods for abrupt climate change and its attribution, however, the investigation on early warning signal for abrupt climate change is less involved. In view of this, this project aims to explore and improve the existing early warning methods based on solving three key scientific issues prevalent in the early warning signals which are revealed by the critical slowing theory. At the same time, a new concept of information transmission length in the climate system is proposed, which can be used to quantitatively measure the influence of a subsystem on other subsystem states. The physical means of the presented concept is that if the information of a subsystem could be transmitted farther away than others, the subsystem has the ability to make the other subsystems have the same state as it. Thus, it makes the state of the system more easily to be shifted from one state to another. By investigating the general rule of information transmission length in nonlinear and complex dynamic system before the onset of an abrupt climate change, a novel early warning signal for abrupt climate change is developed. This project is dedicated to develop quantitative early warning signals for abrupt climate change.

气候突变可能会对人类社会和生态环境带来灾难性的影响，甚至会导致文明社会的衰落。由于气候系统的复杂性，现有气候模式基本上对可能发生的气候突变无法预测。因此，研究气候突变的早期预警信号显得尤为重要。但目前国内外对气候突变的研究主要关注于相关的检测技术和归因，对其早期预警信号涉及较少。鉴于此，本项目拟围绕临界慢化理论所揭示的早期预警信号中普遍存在的三个关键科学问题开展探索性研究，改进和完善已有预警方法。同时，另辟蹊径，结合信息理论，提出一种信息传输距离的新概念，它可以用于定量的衡量气候系统中某一个子系统对其他子系统状态的影响程度：信息传输距离越远的子系统，越有能力使得其他子系统与它拥有相同的状态，宏观上使得系统状态的转变更为容易。通过探究信息传输距离在气候突变来临前的一般性变化规律，发展一种气候突变早期预警的新方法。项目致力于发展一套定量化的气候突变早期预警信号和预警方法。

气候突变是气候变化的一种重要且特殊的形式，其对于生态环境、国民经济和社会的可持续发展、物种的灭绝等有着重要的影响。 然而，由于目前我们对气候系统的认识非常有限，无论是采用动力学方法，还是统计学方法，都很难对气候突变开展准确的预测。因此，发展突变的早期预警理论和方法就成为一个非常重要的科学问题，它将有助于我们监测和预警气候系统或生态系统中未来可能发生的突变事件。.本项目针对气候突变的早期预警信号研究问题，分别从动力系统的信息传输特征、气候系统的长程相关性、可预报性以及时间序列的概率密度特征出发，发展了四种新的突变早期预警信号。基于几个典型的折叠分岔模型模拟的大量突变个例，证实了本项目所提出的新的预警新信号的有效性。本项目的研究结果显示，系统可预测性的降低、长程相关性的增大、单调增加或减少的固定信息传输距离的互信息以及变化的概率密度特征，可能是一个动力系统趋近临界点的早期预警信号。同时，基于Kendall秩相关系数，发展了预警信号的统计显著性判别方法，并发现新预警指标在所有模拟的突变事件预警中的变化趋势均是统计显著的（显著性水平α=0.05）。.为了进一步验证本项目所提出方法的有效性，我们将各种新方法分别应用于新仙女木事件、全新世大暖期以及1976/1977年北太平洋海表气压的年代际突变的预警中，发现本项目所发展的方法均能够在突变发生前较长时间给出有效的预警信号，且实际突变预警中得到的预警信号随时间的演变规律与从简单折叠突变模型中获得的规律完全一致。值得指出的是，相关研究结论主要是基于有限样本获得的，更稳健的结论，还需要更多的数值试验和真实的突变事件来加以验证。本项目的相关研究成果可为气候系统突变（翻转点）的早期预警提供有益的信息，在气候系统、生态系统等的状态转换预警中具有潜在的应用价值。