Identifying causal relationships in climate systems remains challenging due to nonlinear, coupled dynamics that limit the effectiveness of linear and stochastic causal discovery approaches. This study benchmarks Convergence Cross Mapping (CCM) against Granger causality, PCMCI, and VarLiNGAM using both synthetic datasets with ground truth causal links and 41 years of Arctic climate data (1979--2021). Unlike stochastic models that rely on autoregressive residual dependence, CCM leverages Takens' state-space reconstruction and delay-embedding to reconstruct attractor manifolds from time series. Cross mapping between reconstructed manifolds exploits deterministic signatures of causation, enabling the detection of weak and bidirectional causal links that linear models fail to resolve. Results demonstrate that CCM achieves higher specificity and fewer false positives on synthetic benchmarks, while maintaining robustness under observational noise and limited sample lengths. On Arctic data, CCM reveals significant causal interactions between sea ice extent and atmospheric variables like specific humidity, longwave radiation, and surface temperature with a $p$-value of $0.009$, supporting ice-albedo feedbacks and moisture-radiation couplings central to Arctic amplification. In contrast, stochastic approaches miss these nonlinear dependencies or infer spurious causal relations. This work establishes CCM as a robust causal inference tool for nonlinear climate dynamics and provides the first systematic benchmarking framework for method selection in climate research.


翻译:在气候系统中识别因果关系仍然具有挑战性,这是由于非线性、耦合的动力学限制了线性和随机因果发现方法的有效性。本研究使用具有真实因果链路的合成数据集以及41年的北极气候数据(1979–2021),对收敛交叉映射(CCM)与格兰杰因果、PCMCI和VarLiNGAM进行了基准测试。与依赖自回归残差依赖性的随机模型不同,CCM利用Takens的状态空间重构和延迟嵌入从时间序列中重构吸引子流形。重构流形之间的交叉映射利用了因果关系的确定性特征,从而能够检测线性模型无法解决的弱因果和双向因果链路。结果表明,CCM在合成基准测试上实现了更高的特异性与更少的误报,同时在观测噪声和有限样本长度下保持了鲁棒性。在北极数据上,CCM揭示了海冰范围与大气变量(如比湿、长波辐射和表面温度)之间存在显著的因果相互作用($p$值为$0.009$),支持了北极放大效应核心的冰-反照率反馈和湿度-辐射耦合。相比之下,随机方法未能捕捉到这些非线性依赖关系或推断出虚假的因果关系。这项工作确立了CCM作为非线性气候动力学中一种稳健的因果推断工具,并为气候研究中的方法选择提供了首个系统性的基准测试框架。

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