Stochastic modelling and prediction of monthly surface temperatures: StocSIPS
Notice bibliographique
Résumé
From hourly to decadal time scales, atmospheric fields are characterized by two scaling regimes: at high frequencies the weather, with fluctuations increasing with the time scale, and at low frequencies, macroweather with fluctuations decreasing with scale, the transition between the two at τw. This transition time is the lifetime of planetary structures and is therefore close to the deterministic predictability limit of conventional numerical weather prediction models. While it is thus the outer scale of deterministic weather models, conversely, it is the inner scale of stochastic macroweather models. Here we explore the spatial dependence of this transition time. Starting at the surface (2m temperature) we found that the monthly average temperature falls in the macroweather regime for almost any location in the globe, except for parts of the tropical ocean where τw ∼ 1 - 2 years. As we increase in altitude, the dependence of τw with the location becomes more homogeneous and above 850mb τw < 1 month almost everywhere. The longer tropical ocean transition scales are presumably the deterministic outer scales of the “ocean weather” regime. Knowledge of τw is fundamental for stochastic macroweather forecasting. Such forecasting is based on symmetries, primarily the power-law behavior of the fluctuations that implies a huge memory that can be exploited for forecasts up to several years. In addition, there is another approximate symmetry called “statistical space-time factorization” relating spatial and temporal statistics. Finally, while weather regime temperature fluctuations are highly intermittent, in macroweather the intermittency is much lower, fluctuations are quasi Gaussian. The Stochastic Seasonal and Interannual Prediction System (StocSIPS[1,2]) is a stochastic data-driven model that exploits these symmetries to perform macroweather (long-term) forecasts. Compared to traditional global circulation models (GCM), it has the advantage of forcing predictions to converge to the real-world climate (not the model climate). It extracts the internal variability (weather noise) directly from past data and does not suffer from model drift. Some other practical advantages include much lower computational cost, no need for downscaling and no ad hoc postprocessing. We show that StocSIPS can predict monthly average surface temperature (nearly) to its stochastic predictability limits. Using monthly to annual lead time hindcasts, we compare StocSIPS predictions with those from the CanSIPS[3] GCM. Beyond a month, and especially over land, StocSIPS generally has higher skill. For regular StocSIPS forecasts, see http://www.physics.mcgill.ca/StocSIPS/. References [1] Del Rio Amador, L. and Lovejoy, S. (2019) Clim Dyn, 53: 4373. https://doi.org/10.1007/s00382-019-04791-4 [2] Lovejoy, S., Del Rio Amador, L., Hébert, R. (2017) In Nonlinear Advances in Geosciences, A.A. Tsonis ed. Springer Nature, 305–355 DOI: 10.1007/978-3-319-58895-7 [3] Merryfield WJ, Denis B, Fontecilla JS, Lee WS, Kharin S, Hodgson J, Archambault B (2011) Rep., 51pp, Environment Canada.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».