Субгармонический резонанс климата: почему годовые толчки рождают трёхлетний ритм ✎

Оригинал: "Subharmonic resonance of global climate to solar forcing"
· A. Bershadskii
arXiv:1002.1024 · 2010-02-04 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Колебания глобальной температуры за 1880–2009 годы почти полностью заданы резонансом на трети годового периода.

Контекст

Климатические данные всегда шумные: колебания месячной температуры сравнимы по величине с самим трендом. Обычно эти флуктуации считают случайными или связывают с погодой, но их природа оставалась неясной. Работа стоит в русле исследований солнечно-климатических связей и нелинейной динамики океана и атмосферы: рядом лежат работы о солнечном тепловом насосе, приливных ритмах Солнца, магнитных циклах и волнах-невидимках в океане. Однако данная статья отличается тем, что фокусируется не на внешнем воздействии или отдельном механизме, а на внутреннем резонансе климатической системы, который превращает годовой сигнал в трёхлетний.

Методы

Автор взял месячные ряды глобальной температурной аномалии (суша и океан) за 1880–2009 годы из данных NOAA, а также ряды глобальной аномалии температуры поверхности океана за 1850–2008 годы. Для удаления тренда применил непараметрическую вейвлет-регрессию с симмлетами и мягким порогом VisuShrink. Затем вычислил спектры детрендированных флуктуаций методом максимальной энтропии, который даёт хорошее разрешение даже на коротких рядах. Для проверки связи с волнами Россби сравнил дефект автокорреляционной функции с аналогичной величиной для спутниковых измерений высоты морской поверхности (TOPEX/Poseidon, ERS-1/2).

Результаты

Спектр детрендированных флуктуаций глобальной температуры показал огромный пик на периоде около трёх лет и лишь небольшой пик на годовом периоде (рис. 3). Похожая картина получилась для глобальной температуры поверхности океана (рис. 5). Автор интерпретирует трёхлетний пик как субгармонический резонанс третьего порядка: нелинейная система с собственной частотой около 1/3 года возбуждается годовым воздействием и отвечает на частоте, равной одной трети частоты вынуждающей силы. Дефект автокорреляционной функции для температуры океана и для индекса Эль-Ниньо следует степенному закону с показателем около 0.6, что согласуется со спектральным наклоном, наблюдаемым для высоты морской поверхности, где доминируют волны Россби. Это указывает на то, что волны Россби могут служить физическим носителем резонанса и связывать его с явлением Эль-Ниньо.

Значение

Работа отличается от соседних исследований тем, что переносит акцент с внешних факторов (солнечная активность, приливы) на внутреннюю нелинейную динамику климатической системы. Если трёхлетние колебания действительно являются субгармоническим откликом на годовое воздействие, то климат содержит механизм, который сам преобразует один период в другой без участия дополнительных внешних сигналов. Это меняет взгляд на происхождение межгодовой изменчивости и может объяснить, почему Эль-Ниньо имеет характерный квазитрёхлетний ритм.

Развитие

Тема может развиваться в сторону более детального моделирования нелинейных осцилляторов с распределёнными собственными частотами, чтобы проверить условия синхронизации и возникновения субгармонического резонанса в реалистичных моделях океана и атмосферы. Возможно также применение метода к другим климатическим индексам и более длинным рядам, включая палеоданные, для проверки универсальности найденного резонанса.

Влияние

Результат может повлиять на интерпретацию климатических спектров и на подходы к прогнозированию Эль-Ниньо, а также на оценку вклада естественной изменчивости в наблюдаемое потепление.

Следующие шаги

Проверить воспроизводимость резонанса на независимых данных и в моделях разной сложности; оценить, насколько субгармонический отклик зависит от параметров нелинейности и диссипации.

Ключевые проблемы

Работа затрагивает фундаментальную проблему климатологии: разделение вынужденного сигнала и внутренней изменчивости. Если трёхлетние колебания являются резонансным откликом на годовой цикл, то часть межгодовой изменчивости не требует внешнего объяснения, что важно для атрибуции климатических изменений.

Субгармонический резонанс третьего порядка означает, что система отвечает на частоте, втрое меньшей частоты воздействия: годовой толчок порождает трёхлетний цикл. Такое поведение знакомо по нелинейным электрическим цепям и механическим осцилляторам, но в климате оно выглядит неожиданно.

\ddot{x} + \omega_0^2 x + \gamma \dot{x} + \beta x^3 = F \sin \omega t
Модель нелинейного осциллятора, способного к субгармоническому резонансу
x(t) \approx a \cos\left(\frac{\omega}{3} t + \phi\right) + \frac{F}{\omega^2 - \omega_0^2} \cos \omega t
Сумма отклика на частоте ω/3 и вынужденного колебания на частоте ω
1 - C(\tau) \sim \tau^{\alpha} \Leftrightarrow E(f) \sim f^{-(1+\alpha)}
Степенное поведение автокорреляции соответствует степенному спектру

Ключевые числа

  • период доминирующего пика: около 3 лет
  • показатель дефекта автокорреляции: 0.6 ± 0.04
  • период данных: 1880–2009 гг.
  • частота Найквиста: 0.5 мес⁻¹
  • спектральный наклон для высоты моря: 1.6 ± 0.1
Понятия
сезонный форсинг южная осцилляция эль-ниньо эль-ниньо естественная изменчивость сезонный цикл энсо ла-нинья межгодовая изменчивость ERSST относительный они ветер многомерный индекс ЭНСО муссон обратная связь Бьеркнеса напряжение ветра связь океана и атмосферы космическая погода южная осцилляция океаническое течение радиационный форсинг