近日，物理海洋教育部重点实验室在Climate Dynamics期刊发表了题为“Estimating the decadal-scale climate predictability limit using nonlinear local Lyapunov exponent with optimal local dynamic analogues”（《基于最优局部动力相似的非线性局部Lyapunov指数对年代际尺度气候可预测期限的估计》）的最新研究成果，该研究在李建平团队提出非线性局部Lyapunov指数（NLLE）的局部动力相似（LDA）方法基础上，创新性地提出了最优局部动力相似（OLDA）和集合OLDA（OLDAE）方法，得到最优NLLE，进而实现了对可预测期限更好的估计（图1），为估算气候系统年代际尺度的可预测性期限提供了新方法。成果由实验室/海洋与大气学院在读博士生李瑞泽为第一作者，“筑峰人才工程”第一层次李建平教授为通讯作者的科研团队合作完成。

图1：(a1) LDA（黑线）、OLDA（红线）和 OLDAE（蓝线）算法估计的Lorenz63系统变量x的平均绝对误差（E ̅）增长。(b1)和(c1)与(a1)相同，但分别针对Lorenz63系统的变量y和z。(a2)、(b2)和(c2)与(a1)、(b1)和(c1)相同，但分别针对初始误差的相对增长平均（Φ ̅）。水平虚线分别代表三种算法饱和值的99%水平，垂直虚线分别代表相应的可预测期限（T_p）。

　　气候系统年代际变化对全球的极端天气事件、农业生产、水资源管理等具有深远影响。然而，学界当前对年代际尺度气候的预测能力仍十分有限。本研究利用长期的再分析数据，优化了前期提出的LDA算法，显著提升了可预测期限的估计精度，为年代际尺度气候预测提供了更为可靠的科学依据。

　　基于OLDA和OLDAE新算法，研究系统性地揭示了海表温度（SST）、海平面气压（SLP）以及主要海洋、大气模态的年代际尺度上可预测性期限的特征。分析发现，SST的全球平均年代际可预测性期限约为10年，其中北半球中纬度和南大洋的可预测期限较高（＞12年）（图2a）。SLP的全球平均年代际可预测性期限约为9年，高值区域相较于SST多呈“斑块状分布”（图2b）。同时，研究也深入分析了多个年代际气候模态的年代际可预测期限特征，包括北大西洋多年代际振荡（AMO）、北太平洋年代际振荡（PDO）、南北半球海温偶极子（SSTID）、北大西洋振荡（NAO）、北半球环状模（NAM）和南半球环状模（SAM）等，结果表明这些年代际模态的可预测期限均在约11年以上。此外，研究还揭示了海气系统的年代际可预测期限存在显著的季节差异（图3）。

图2：(a) 基于OLDA算法估算的SST可预测期限（T_p，年）的空间分布（左），右侧是其纬向平均（蓝色实线）和全球平均（黑色虚线）。(b)与(a)相同，但对SLP。

图3：(a) AMO，PDO和SSTID指数的年代际可预测期限（T_p，年）随季节的变化。(b)同 (a), 但对NAO，NAM和SAM指数。

　　上述研究显著提升了年代际可预测性期限定量估计的精度，为理解年代际尺度海气系统的可预测性提供了新视角。研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划和崂山实验室科技创新项目等联合资助。

文章引用：

LI R. -Z., J. -P. Li*, Z. -L. Hou, R. -P. Sun, S. -X. Zhen, and H. -B. Song, 2025: Estimating the Decadal-scale Climate Predictability Limit using Nonlinear Local Lyapunov Exponent with Optimal Local Dynamic Analogues. Climate Dynamics, 63: 85, https://doi.org/10.1007/s00382-024-07573-9.