Климатические сети распутывают типы Эль-Ниньо ✎

Оригинал: "Disentangling different types of El Niño episodes by evolving climate network analysis"
arXiv:1310.5494 · 2013-10-21 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Сеть из температурных связей по всей планете различает восточный и центральный типы Эль-Ниньо и отделяет их от следов вулканических извержений.

Представьте гигантскую паутину, натянутую между тысячами точек на поверхности Земли. Каждая нить соединяет два места, где температура воздуха меняется согласованно: если теплеет в одном узле, теплеет и в другом. Эту паутину можно построить по данным за любой год, а потом сравнить, как она выглядела в разные годы. Оказывается, паутина не статична: она то сжимается в плотные узлы, то распускается, и эти превращения рассказывают о климатических событиях больше, чем привычные карты температур.

Сеть строили так: взяли 62 года ежедневных температурных аномалий, разбили их на скользящие окна длиной в год со сдвигом 30 дней, и для каждого окна соединили те точки, у которых корреляция температур оказалась в числе 0,5% самых сильных. Получилось около 262 тысяч нитей из более чем 52 миллионов возможных.

Когда в тропической части Тихого океана разгорается классический Эль-Ниньо (тот, что греет воду у берегов Южной Америки), паутина резко меняется. Связи между далёкими точками становятся короче, а треугольники из трёх точек замыкаются чаще. Это значит, что в сети появляются плотные клубки — «локализованные структуры», охватывающие тысячи километров. Они возникают в те месяцы, когда океан отдаёт атмосфере огромное количество тепла, и температура воздуха в тропиках начинает плясать в такт.

Такие всплески хорошо видны для Эль-Ниньо 1982/83 и 1997/98 годов, но почти не заметны для Эль-Ниньо центрального типа (например, 1990/91 и 2004/05), когда аномалия тепла возникает ближе к середине Тихого океана. Паутина различает эти два типа без всяких индексов, просто по своей форме.

Вулканические извержения тоже оставляют след в паутине, но с задержкой. После извержения Пинатубо в июне 1991 года сеть перестроилась не сразу, а спустя несколько месяцев: аэрозоли от вулкана медленно распространялись по стратосфере и меняли температуру воздуха в разных регионах по-разному. Этот запаздывающий сигнал можно отличить от быстрой реакции на Эль-Ниньо, что делает метод полезным для раздельного мониторинга климатических событий.

Паутина, которая то сжимается, то распускается, оказалась чувствительным инструментом. Она не заменяет традиционные индексы температуры океана, но добавляет независимый взгляд на то, как климатические аномалии организуются в пространстве. Возможно, в будущем по первым движениям нитей удастся предсказывать тип и силу приближающегося Эль-Ниньо за несколько месяцев до его пика.

Плотность рёбер в сети составляет всего 0,5%, то есть из более чем 52 миллионов возможных пар узлов соединены лишь около 262 тысяч. При этом сеть всё равно улавливает глобальные климатические события.

A_{ij} = \Theta(W_{ij} - W^*) - \delta_{ij}
Связь между двумя точками Земли возникает, когда их температурные ряды коррелируют сильнее заданного порога.
T = \frac{\sum_{i,j,k} A_{ij} A_{ik} A_{jk}}{\sum_{i,j,k, j \neq k} A_{ij} A_{ik}}
Показывает, насколько связи в сети группируются в плотные кластеры.
Понятия
климатическая сеть энсо сезонный цикл южная осцилляция эль-ниньо эль-ниньо ла-нинья модель Джина–Тиммермана сеть естественная изменчивость буйковые станции TAO/TRITON многомерный индекс ЭНСО NOAA CPC модель осциллятора с подзарядкой межгодовая изменчивость распространение экваториальных волн ERSST весенний барьер предсказуемости телеконнекция климат нейронные сети