大气转换的路径性质：以低阶平流层突然变暖模型为例

许多罕见天气事件，包括飓风、干旱与洪水，对人类生活影响巨大。要准确预报这些事件并刻画其气候特征，需要专门的数学技术以充分利用可用的有限数据。在此我们描述过渡路径理论（TPT），这一最初为分子模拟开发的框架，并论证它是发展罕见气候事件机理理解的有用范式。TPT 提供了一种计算进入事件的路径统计性质的方法。作为 TPT 效用的最初演示，我们分析了一个平流层突然变暖（SSW）的低阶模型，SSW 是对极涡的剧烈扰动，可在中纬度地表诱发极端寒潮。SSW 事件因其迅速而复杂的发生与发展，对季节性天气预测构成重大挑战。气候模型难以捕捉 SSW 的长期统计，因其多样性与间歇性。我们使用一个带随机强迫的 Holton-Mass 型模型，具有两个稳定态，分别对应辐射平衡与一种振荡的 SSW 类态。在此随机双稳设定下，由某些概率预报，TPT 有助于估计主导转换路径与转换回归时间。这些“动力学统计”通过求解模型相空间中的偏微分方程获得。随着未来应用于更复杂模型，TPT 及其组成量有望通过预报的生成与原则性评估，改善极端天气事件的可预测性。