We present a non-linear AI-model designed to reconstruct monthly mean anomalies of the European temperature and precipitation based on the Euro-Atlantic Weather regimes (WR) indices. WR represent recurrent, quasi-stationary, and persistent states of the atmospheric circulation that exert considerable influence over the European weather, therefore offering an opportunity for sub-seasonal to seasonal forecasting. While much research has focused on studying the correlation and impacts of the WR on European weather, the estimation of ground-level climate variables, such as temperature and precipitation, from Euro-Atlantic WR remains largely unexplored and is currently limited to linear methods. The presented AI model can capture and introduce complex non-linearities in the relation between the WR indices, describing the state of the Euro-Atlantic atmospheric circulation and the corresponding surface temperature and precipitation anomalies in Europe. We discuss the AI-model performance in reconstructing the monthly mean two-meter temperature and total precipitation anomalies in the European winter and summer, also varying the number of WR used to describe the monthly atmospheric circulation. We assess the impact of errors on the WR indices in the reconstruction and show that a mean absolute relative error below 80% yields improved seasonal reconstruction compared to the ECMWF operational seasonal forecast system, SEAS5. As a demonstration of practical applicability, we evaluate the model using WR indices predicted by SEAS5, finding slightly better or comparable skill relative to the SEAS5 forecast itself. Our findings demonstrate that WR-based anomaly reconstruction, powered by AI tools, offers a promising pathway for sub-seasonal and seasonal forecasting.


翻译:我们提出了一种非线性AI模型,旨在基于欧洲-大西洋天气型态指数重建欧洲温度和降水的月平均异常。天气型态代表大气环流中反复出现、准静止且持续的状态,对欧洲天气具有显著影响,因此为次季节至季节尺度预报提供了契机。尽管已有大量研究关注天气型态与欧洲天气的相关性及其影响,但从欧洲-大西洋天气型态反演地面气候变量(如温度和降水)的研究仍相对匮乏,且目前主要局限于线性方法。本文提出的AI模型能够捕捉并引入天气型态指数与欧洲地表温度及降水异常之间关系的复杂非线性特征,这些指数描述了欧洲-大西洋大气环流状态。我们讨论了该AI模型在重建欧洲冬季和夏季月平均2米温度及总降水异常方面的性能,并探讨了用于描述月尺度大气环流的天气型态数量变化的影响。我们评估了天气型态指数误差对重建结果的影响,结果表明当平均绝对相对误差低于80%时,其季节重建效果优于ECMWF业务化季节预报系统SEAS5。作为实际应用示例,我们使用SEAS5预测的天气型态指数对模型进行评估,发现其技巧略优于或与SEAS5自身预报相当。我们的研究证明,基于AI工具的天气型态异常重建为次季节和季节预报提供了一条具有前景的技术路径。

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