Tropical cyclones (TCs), driven by heat exchange between the air and sea, pose a substantial risk to many communities around the world. Accurate characterization of the subsurface ocean thermal response to TC passage is crucial for accurate TC intensity forecasts and for an understanding of the role that TCs play in the global climate system. However, that characterization is complicated by the high-noise ocean environment, correlations inherent in spatio-temporal data, relative scarcity of in situ observations, and the entanglement of the TC-induced signal with seasonal signals. We present a general methodological framework that addresses these difficulties, integrating existing techniques in seasonal mean field estimation, Gaussian process modeling, and nonparametric regression into a functional ANOVA model. Importantly, we improve upon past work by properly handling seasonality, providing rigorous uncertainty quantification, and treating time as a continuous variable, rather than producing estimates that are binned in time. This functional ANOVA model is estimated using in situ subsurface temperature profiles from the Argo fleet of autonomous floats through a multi-step procedure, which (1) characterizes the upper ocean seasonal shift during the TC season; (2) models the variability in the temperature observations; (3) fits a thin plate spline using the variability estimates to account for heteroskedasticity and correlation between the observations. This spline fit reveals the ocean thermal response to TC passage. Through this framework, we obtain new scientific insights into the interaction between TCs and the ocean on a global scale, including a three-dimensional characterization of the near-surface and subsurface cooling along the TC storm track and the mixing-induced subsurface warming on the track's right side.


翻译:由空气和海洋之间的热交换驱动的热带龙卷风(TCs)对世界各地许多社区构成了巨大的风险。对于精确的TC密度预测和理解TCs在全球气候系统中发挥的作用,对地表下海洋热反应对TC通过作出准确的定性至关重要。然而,这种定性由于高噪音海洋环境、时空数据内在的关联、原地观测相对稀缺以及TC引起的信号与季节性信号的纠缠而变得复杂。我们提出了一个解决这些困难的总体方法框架,将现有的技术纳入季节性平均实地估计、高山进程模型和非参数性回归到功能性ANOVA模型。重要的是,我们通过适当处理季节性、提供严格的不确定性量化、将时间作为持续变数而不是及时生成的估计数,改进了过去的工作。这个功能性ANOVA模型利用亚戈河下地表下层观测的地面下层温度图,通过多步程序(该程序(1) 将季节性平均温度估算、高海流进程模型的当前海洋季节性变异性变化,包括三季期间的海洋变异性模型,从我们测测测测测的海流温度到海流流流流流流流流流,从而测测测测测测测测测测测到海流温度。(2) 。

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