main concepts scientists sections
ПростоПопулярноПодробно

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
Физика атмосферы и океана Геофизика
Эль-Ниньо можно описать как вынужденные колебания воды в бассейне, подталкиваемые лунными приливами и чандлеровским колебанием.

В 1981 году океан у берегов Перу повёл себя странно. Тёплое течение, которое обычно приходит раз в несколько лет, изменило свой ритм, и учёные до сих пор спорят, что именно сдвинулось. Новая работа предлагает простой ответ: океан плещется, как вода в чаше, которую раскачивают приливы и вращение Земли.

Эль-Ниньо — это тёплое течение у берегов Перу, а Южное колебание — перепад давления между Таити и Дарвином. Вместе они образуют систему ENSO, которая управляет дождями и засухами по всему миру.

Модель сводит динамику океана к одному уравнению колебаний. Вместо сложных расчётов течений и температур автор описывает, как уровень воды в бассейне отзывается на внешние толчки. Главный толчок дают лунные приливы, которые действуют с несколькими периодами, и чандлеровское колебание — свободное движение полюсов Земли с периодом около 6.46 года. Добавляется двухлетняя модуляция, которая меняет силу возвращающего воздействия.

Уравнение Матье — это волновое уравнение, в котором коэффициент периодически меняется. Оно описывает, например, колебания маятника с периодически меняющейся длиной.

Ключевой момент — инверсия фазы двухлетней модуляции в 1981–1996 годах. Без этого сдвига модель не воспроизводила бы наблюдаемый индекс Южного колебания. С ним корреляция достигает 0.8, что для климатических данных очень высоко. Солнечная активность не улучшила подгонку, поэтому её исключили. Машинный инструмент Eureqa независимо подтвердил выбор факторов: квазидвухлетняя осцилляция и чандлеровское колебание.

Раньше Эль-Ниньо считали либо случайным процессом, либо слишком сложным для простого описания. Теперь видно, что основные черты явления воспроизводятся волновым уравнением с периодическими воздействиями. Если удастся предсказывать редкие смены режима, такие как сдвиг 1981 года, модель даст прогнозы на годы вперёд.

Океан продолжает плескаться в своей чаше. Мы только начинаем понимать, какие именно руки её раскачивают.

Весь граф →

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.
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