An information-theoretic framework is developed to assess the predictability of ENSO complexity, which is a central problem in contemporary meteorology with large societal impacts. The information theory advances a unique way to quantify the forecast uncertainty and allows to distinguish the predictability limit of different ENSO events. One key step in applying the framework to compute the information gain representing the predictability is to build a statistically accurate dynamical model. To this end, a recently developed multiscale stochastic model, which succeeds in capturing both the large-scale dynamics and many crucial statistical properties of the observed ENSO complexity, is incorporated into the information-theoretic framework. It is shown that different ENSO events possess very distinct predictability limits. In addition to the ensemble mean, the ensemble spread also has remarkable contributions to the predictability. While the information theory indicates that predicting the onset of the eastern Pacific El Ni\~nos is challenging, it reveals a universal tendency to convert strong predictability to skillful forecast for predicting many central Pacific El Ni\~nos about two years in advance. In addition, strong predictability is found for the La Ni\~na events, corresponding to the effective discharge process. In the climate change scenario with the strengthening of the background Walker circulation, the predictability of sea surface temperature in central Pacific has a significant response with a notable increase in summer and fall. Finally, the Gaussian approximation is shown to be accurate in computing the information gain, which facilitates the use of more sophisticated models to study the ENSO predictability.


翻译:为了评估厄尔尼诺现象复杂性的可预测性,建立了一个信息理论框架,以评估厄尔尼诺现象的复杂性,这是当代具有巨大社会影响的气象中一个中心问题。信息理论提出了一种独特的方法,可以量化预测的不确定性,并能够区分不同厄尔尼诺现象的可预测性极限。在应用这一框架计算信息获得值以体现可预测性方面的一个关键步骤是建立一个具有统计准确的动态模型。为此,最近开发的多尺度随机模型成功地捕捉了所观测到的厄尔尼诺现象复杂性的大规模动态和许多关键复杂统计特性,并被纳入信息理论框架。信息理论表明,不同的厄尔尼诺现象具有非常明显的可预测性。除了一系列的含意外,各种厄尔尼诺现象的传播也对可预测性也有显著的贡献。信息理论表明,预测东太平洋的厄尔尼诺现象的开始是具有挑战性的,但一种普遍趋势是,将强大的可预测性转化为预测许多太平洋中部的厄尔尼诺现象的可靠预测,大约提前两年。此外,对于La 尼涅纳事件具有很强的可预测性,这与有效排放的可预测性相匹配的可预测性有非常明显的限度。除了共同的数值值外,共同的传播,最终加强了太平洋的地表层变化。

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