基于传递熵的赤道中东太平洋海气系统信息传输特征研究

Tropical atmosphere-ocean system is nonlinear complex system affected by random external force. The research on information transfer of atmosphere-ocean system from information theory perspective is the core topic of nonlinear atmospheric science research currently. Based on atmosphere and ocean reanalysis data include China first generation global atmospheric reanalysis, this project will focus on information transfer of equatorial central-eastern Pacific (ECEP) Ocean-Atmosphere system by information theory and Transfer Entropy. The information transfer of ECEP atmosphere-ocean system will be analyzed, and also monthly variation of information transfer, to reveal the similarities and differences of information transfer under the background of warm anomaly and cold anomaly in ECEP. Then the comparison about characteristics of information transfer in different reanalysis datasets will be carried out. Through Monte-Carlo simulation, the evolution of intensity and efficiency of information transfer along with the ocean water temperature will be discussed, to explore the asymmetry of information transfer in ECEP from information theory perspective. Finally the global image of information transfer of global atmosphere-ocean system from subsurface ocean to surface ocean then to atmosphere will be constructed and the contribution of key area in atmosphere and ocean will be identified. These can not only promote understanding of air-sea interaction in EPCP in terms of nonlinear theory, but also can put forward a new sight to assessment reanalysis.

热带海气系统是受随机外强迫作用的非线性复杂系统，从信息论的视角研究海气系统的信息传递是目前非线性大气科学研究的热点和难点。本项目使用包括中国第一代全球大气再分析在内的多种再分析数据，运用信息论中的传递熵方法，分析赤道中东太平洋海气系统之间的信息传输分布特征，分析异常暖(冷)海温背景下信息传输的异同性，比较信息传输特征在不同再分析数据间的差异；通过蒙特卡洛模拟探讨海气系统间信息传输强度等随海温变化的演变特征，从信息论的角度揭示信息传输状态非对称变化特征；构建全球次表层海温-表层海温-低层大气这一海气系统信息传输的全局图像，给出不同大气、海洋关键区对信息传输过程的贡献。本项目的开展将从非线性动力学及信息论的角度拓展对赤道太平洋海气相互作用的理解和认识，也有助于为大气再分析数据质量的评估提出新的视角。

热带海气系统是受随机外强迫作用的非线性复杂系统，从非线性动力学探讨赤道中东太平洋海气系统相互作用是非常有必要的。项目围绕1）揭示次表层海温-表层海温-低层大气之间全球海气系统信息传输的立体图像，实现海气相互作用的非线性描述；2）如何从非线性和信息论的角度解释海气系统信息传输随海温演化的非对称特征等关键科学问题开展了以下四个方面工作：一、赤道中东太平洋暖(冷)海温背景下海气系统信息传输特征研究。分析赤道中东太平洋区域海气系统的信息传输空间分布特征，探讨信息传输空间分布特征在异常暖(冷)海温背景下的异同性，建立海气系统信息传输强度月指数，基于海表关键区构建海气系统协同作用模型；二、赤道中东太平洋区域海气系统信息传输状态非对称变化特征研究。基于蒙特卡洛模拟，研究赤道中东太平洋区域海气系统信息传输强度随海温异常的演变特征，分析海洋对大气的信息传输及大气对海洋的信息传输，探讨信息传输非对称变化特征，并分析海气温差、垂直速度等影响信息传输的关键特征物理量随海温异常的变化；三、全球海气系统信息传输全局图像构建。从全球角度考虑全球海洋与大气的相互作用，采用海表温度与850hPa位势高度、75m和700m深度海水温度数据，研究全球海气系统信息传输的空间分布和垂直分布特征，构建海气系统信息传输的立体图像，分析信息传输的季节变化特征和年代际变化特征，探讨不同关键区对信息传输过程的贡献；四、我国第一代全球大气再分析的多维度科学评估。从多维度开展全球大气再分析的科学评估，包含四部分内容：(1)以ERA5为基准评估全球大气再分析的基本气象要素，(2)降水与蒸发评估，(3)典型大气环流系统评估：西太平洋副热带高压和北极涛动，(4)利用气候复杂网络方法评估大气遥相关。该项目的研究成果能够为理解和认识赤道太平洋海气相互作用提供新视角和新途径，同样能够为全球大气实况分析的评估提供新方法。