Плеск океана как часы: модель Эль-Ниньо через уравнение Матье ✎

Оригинал: "Sloshing Model for ENSO"
· Paul R. Pukite
arXiv:1411.0815 · 2014-11-04 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Эль-Ниньо можно описать как вынужденные колебания воды в бассейне, подталкиваемые лунными приливами и чандлеровским колебанием.

Контекст

Эль-Ниньо и Южное колебание остаются одной из самых изучаемых, но трудно предсказуемых климатических систем. Традиционные модели либо полагаются на сложные глобальные циркуляционные расчёты, либо рассматривают процесс как стохастический, с ограниченной предсказательной силой. Работа стоит на отшибе: ближайшие соседи в архиве занимаются квантовой гравитацией, пластичностью кристаллов и машинным обучением, а по смыслу ближе всего исследования, связывающие гравитацию с волновыми уравнениями. Здесь же предлагается детерминированный подход, опирающийся на известные астрономические и геофизические периодичности.

Методы

Модель строится на уравнении второго порядка, описывающем плескание жидкости в ограниченном объёме. Характерная частота задана периодом 4.25 года, что соответствует динамике термоклина. Модуляция q(t) имеет вид члена Матье с двухлетним периодом, а вынуждающая сила F(t) включает сезонно алиасированные лунные периоды (драконический, аномалистический, тропический), скорость чандлеровского колебания полюсов с периодом около 6.46 лет и 14-летний член, связанный с QBO. Для подгонки использовались данные индекса Южного колебания с 1880 года; решение находилось численно в Mathematica и R DiffEq.

Результаты

Модель воспроизводит исторический ряд SOI с корреляцией 0.8. Ключевым элементом стало введение инверсии фазы двухлетней модуляции в интервале 1981–1996 годов, что соответствует известному климатическому сдвигу. Вклад солнечной активности (цикл Швабе) не улучшил подгонку, поэтому был исключён. Машинный инструмент Eureqa независимо подтвердил выбор факторов QBO и чандлеровского колебания. Остаточные расхождения в основном связаны с шумом измерений на станциях Таити и Дарвин.

Значение

Работа показывает, что ENSO можно рассматривать как детерминированную вынужденную систему, а не как случайный процесс. Это отличается от соседних работ в архиве, которые либо используют стохастические модели, либо требуют полного гидродинамического расчёта. Здесь же достаточно простого уравнения, чтобы уловить основные черты явления. Такой подход открывает путь к прогнозам на годы вперёд, если удастся предсказывать редкие смены режима.

Развитие

Модель может быть уточнена за счёт более точного описания чандлеровского колебания, включая возможное расщепление спектрального пика. Также можно исследовать связь с 18.6-летним драконическим циклом и трёхосным вращением Земли. Для прогноза критично научиться заранее определять моменты инверсии двухлетней фазы, подобные сдвигу 1981 года.

Влияние

Результаты могут быть полезны для краткосрочного и среднесрочного прогнозирования Эль-Ниньо, что важно для сельского хозяйства, управления водными ресурсами и оценки рисков экстремальных погодных явлений.

Следующие шаги

Проверить модель на палеоклиматических реконструкциях ENSO за последние столетия. Попытаться связать инверсии фазы с наблюдаемыми изменениями углового момента атмосферы.

Ключевые проблемы

Для климатологии остаётся открытым вопрос о природе редких сдвигов режима, нарушающих стационарность. Данная модель явно включает такой сдвиг как смену чётности двухлетнего цикла, но механизм, запускающий инверсию, пока не ясен.

Период 4.25 года, характерный для термоклина, близок к половине 8.5-летнего цикла лунного перигея, что может указывать на приливную природу основной частоты.

f''(t) + (\omega^2 + q(t)) f(t) = F(t)
Ускорение уровня воды плюс возвращающая сила с модуляцией равно внешнему воздействию.
f'' + (\omega^2 + a \cos(\pi t + \phi)) f = \cos(\pi t) g(t)
Волновое уравнение с двухлетней модуляцией и комбинированной вынуждающей силой.

Ключевые числа

  • период термоклина: 4.25 года
  • корреляция модели с SOI: 0.8
  • период чандлеровского колебания: 6.46 года
  • инверсия фазы: 1981–1996 годы
  • начало данных SOI: 1880 год
Понятия
южная осцилляция эль-ниньо энсо индекс Эль-Ниньо модель осциллятора с подзарядкой ла-нинья многомерный индекс ЭНСО южная осцилляция модель Джина–Тиммермана весенний барьер предсказуемости распространение экваториальных волн буйковые станции TAO/TRITON объём тёплой воды естественная изменчивость ERSST относительный они сезонный форсинг сезонный цикл межгодовая изменчивость эффект конденсатора Индийского океана вспышка западных ветров