Скрытые ритмы Эль-Ниньо: что говорят ежедневные данные ✎

Оригинал: "High frequency intrinsic modes in El Ni\~no Southern Oscillation Index"
arXiv:0805.3464 · 2008-05-22 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Ежедневные колебания индекса Южного колебания содержат короткие периоды, которые можно использовать для прогноза и понимания природы экстремальных событий.

Барометр на острове Таити и барометр в австралийском городе Дарвин показывают разное давление. Вычти одно из другого, и получится число, которое климатологи называют индексом Южного колебания. Оно меняется каждый день, но в этих ежедневных скачках прячутся ровные ритмы, как в шуме оркестра прячутся удары метронома.

Спектральный анализ ежедневных значений с 1999 по 2007 год выявил пики на периодах 24, 27, 37, 76, 100 и 365 дней. Каждый пик превышает 99% доверительный интервал, то есть это не случайные всплески.

Каждому периоду находится объяснение в физике атмосферы и океана. 24 дня — это время, за которое волна возмущения, рожденная в тропиках, обходит вокруг Земли. 27 дней — лунный цикл: приливные силы слегка меняют давление. 37 дней — осцилляция Маддена-Джулиана, большое скопление облаков и дождей, которое медленно ползет над Индийским и Тихим океанами. 76 дней — внутрисезонные колебания тропической атмосферы. А 100 дней, скорее всего, получается от сложения двух других ритмов: 27 и 37 дней бьются друг с другом, как две струны, настроенные почти в унисон.

Если сложить все эти колебания с правильными амплитудами, получается реконструкция сигнала, которая неплохо предсказывает, каким будет индекс через девять месяцев. Качество прогноза оценили площадью под ROC-кривой: AUC = 0.73. Для бинарной классификации знака индекса это хороший результат.

После удаления периодичностей остаток не похож на простой белый шум. Анализ флуктуаций с исключением тренда не показал линейного поведения на всех масштабах, а распределение времен возврата экстремальных событий лучше описывается растянутой экспонентой, чем распределением Пуассона.

Это значит, что редкие события — сильные Эль-Ниньо — не происходят независимо друг от друга. Память о прошлых возмущениях сохраняется в системе, и следующий экстремум может прийти раньше или позже, чем если бы все решал случай.

Барометры на Таити и в Дарвине продолжают мерить давление. Теперь их ежедневные показания можно читать не как шум, а как партитуру, в которой короткие ноты подсказывают, каким будет следующий такт.

Период в 100 дней может возникать как биение между 37 и 27 днями: 1/(1/27 - 1/37) ≈ 100 дней. Это пример того, как взаимодействие двух колебаний порождает третье, более медленное.

Понятия
южная осцилляция эль-ниньо многомерный индекс ЭНСО индекс южной осцилляции межгодовая изменчивость энсо вспышка западных ветров солнечный цикл модель осциллятора с подзарядкой сезонный цикл модель Джина–Тиммермана смешанные моды колебаний телеконнекция естественная изменчивость сезонный форсинг весенний барьер предсказуемости высокочастотные гравитационные волны распространение экваториальных волн ERSST осцилляция маддена-джулиана южная осцилляция