Эль-Ниньо — южное колебание (ЭНСО) — это основной режим межгодовой изменчивости в тропической части Тихого океана. Сильные события Эль-Ниньо, такие как в 1982–83, 1997–98 и 2015–16 годах, вызывают глобальные погодные аномалии и серьёзные экономические последствия. Прогноз силы таких событий остаётся сложной задачей: широко разрекламированные прогнозы 2014 года предсказывали событие на год раньше, чем оно произошло. В научном сообществе давно обсуждается, является ли ЭНСО самоподдерживающимся колебанием или возбуждается случайным шумом, а также какова роль сезонного цикла в возникновении непредсказуемости. Данная работа вносит вклад в этот контекст, выявляя новый механизм ограничения предсказуемости, связанный с бистабильностью и хаотической динамикой.
Авторы использовали низкоразмерную концептуальную модель Джина-Тиммерманна (JT), которая описывает три переменные: разность температур поверхности моря между восточной и западной частями экваториальной части Тихого океана, температуру поверхности западной части относительно номинальной и глубину термоклина западной части. Модель содержит нелинейные члены, отражающие обратные связи ветра, океанических течений и динамики термоклина. Численное интегрирование выполнялось в MATLAB с использованием алгоритма DOP853 с жёсткими допусками на ошибку (порядка 10⁻¹²). Параметры были подобраны с помощью программы MATCONT для нахождения точек бифуркации Хопфа и продолжения периодических орбит до хаотического аттрактора. Затем в модель вводилось слабое периодическое (сезонное) или стохастическое возмущение параметра a, чтобы исследовать переключения между аттракторами.
При выбранных параметрах модель демонстрирует сосуществование двух аттракторов: периодической орбиты типа смешанных колебаний (MMO) с периодом около 12.1 лет, содержащей одно интенсивное Эль-Ниньо за цикл, и хаотического аттрактора с меньшей амплитудой колебаний. Бассейны притяжения этих аттракторов переплетены и имеют фрактальные границы. Даже очень слабое периодическое воздействие с амплитудой 0.001 вызывает нерегулярные переключения между режимами: в 6000-летней симуляции максимальное число последовательных MMO-циклов составило 24, минимальное — 1, а эпохи хаотических колебаний могли длиться более 200 лет. Аналогичные результаты получены при слабом мультипликативном шуме. Чувствительность к начальным условиям вблизи границ бассейнов чрезвычайно высока: отображение возврата растягивает координату y в 10³ раз.
Работа выявляет новый механизм, ограничивающий предсказуемость сильных событий Эль-Ниньо: нерегулярное переключение между колебательным состоянием с сильными событиями и хаотическим состоянием без них. Это отличается от традиционных объяснений, основанных на весеннем барьере предсказуемости или взаимодействии с сезонным циклом. Открытие бистабильности в простой концептуальной модели предполагает, что подобная динамика может существовать и в более сложных моделях ЭНСО, что накладывает фундаментальные ограничения на долгосрочное прогнозирование силы событий. По сравнению с соседними работами, которые исследуют Эль-Ниньо с точки зрения предсказания или исторических данных, данная статья фокусируется на внутренней динамической непредсказуемости, вытекающей из структуры аттракторов.
Тема может развиваться в направлении поиска предвестников переключений между режимами в реальных данных и более сложных моделях. Возможно исследование влияния изменения климата на параметры модели и, следовательно, на частоту переключений. Также интересно изучить, как пространственная структура начальных ошибок взаимодействует с бистабильностью, чтобы уточнить пределы предсказуемости. Развитие методов анализа фрактальных границ бассейнов в климатических моделях может помочь в оценке рисков экстремальных событий.
Результаты могут повлиять на разработку систем прогнозирования ЭНСО, подчеркивая необходимость вероятностных подходов и учёта внутренней непредсказуемости. Они также важны для интерпретации палеоклиматических реконструкций, показывающих декадную изменчивость ЭНСО.
Следующим шагом может стать проверка наличия бистабильности в более реалистичных моделях ЭНСО, таких как модели промежуточной сложности или глобальные климатические модели. Также важно попытаться идентифицировать предвестники переключений в наблюдательных данных, например, в индексах температуры поверхности океана.
Работа напрямую связана с фундаментальной проблемой предсказуемости климатической системы: насколько долгосрочные прогнозы экстремальных явлений возможны в принципе. Она показывает, что даже в детерминированной системе внутренняя динамика может порождать непредсказуемость, сравнимую со случайным шумом.
В 6000-летней симуляции модели эпоха без сильных Эль-Ниньо могла длиться более двух столетий, а затем внезапно сменяться серией интенсивных событий — и всё это без какого-либо внешнего воздействия, кроме слабого сезонного цикла.