海院科研动态（85）| 海洋变率的模拟与预测研究取得新进展
海洋系统演变的分析、模拟和预测主要基于低维度相关分析（如二元或多元线性回归）和动力模式。相关分析无法有效确定因果关系，在海洋背景变化的情况下也较难作出无偏差的预测。动力模式则较难得出明确的数学和物理解释。然而，要实现精确的分析、模拟和预测，并充分表征或揭示相关的物理过程，需要利用海气系统之间的因果结构。这种因果结构可视为宏观因果关系，它的使用受到因果涌现和因果预测不变性的理论支持。
我院陈大可院士和何山博士后基于因果推断理论提出了一套理解和预测地球系统的通用框架，并以热带太平洋中被称为厄尔尼诺与南方涛动的气候模态作为例子。这套框架涉及海量海气数据的分析，从而构建一个结构因果模型，以揭示海气系统的不同组分是如何相互作用并产生厄尔尼诺与南方涛动事件（如图1）。因此，这套框架可以加深我们对海洋系统如何变化的认识。此外，构建的模型还能模拟海洋的演变，重现厄尔尼诺与南方涛动事件在强度和时空特征上的多样特性。即使在输入信息不完整或海洋背景状态改变的情况下，模型也能准确预测热带太平洋的海面温度变化。
该因果推断框架将有助于揭示地球系统的物理过程，提高我们理解和预测厄尔尼诺与南方涛动及其它海洋现象的能力。
图1 厄尔尼诺与南方涛动局部的结构因果模型。厄尔尼诺与南方涛动（a）发展期和（b）盛衰期的结构因果模型的局部因果图，以及模型中由（c）海面温度、（d）海平面气压、（e）10米风场和（f）上层300米积分海温数据中提取的主成分的空间模态。
以上研究成果于近期发表在中科院大类1区TOP期刊《Geophysical Research Letters》（He Shan, Yang Song, Chen Dake. Modeling and Prediction of Large-Scale Climate Variability by Inferring Causal Structure）。我院何山博士后为论文第一作者和通讯作者。
该研究工作得到了广东省基础与应用基础研究基金、国家自然科学基金以及南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）等的资助和大力支持。
