Маятник Тихого океана: почему сильные Эль-Ниньо непредсказуемы ✎

Оригинал: "Intrinsic unpredictability of strong El Niño events"
arXiv:1607.02645 · 2016-07-09 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Океан ведёт себя как маятник, который то раскачивается до огромной амплитуды, то застревает в мелких колебаниях, и переключение между этими режимами нельзя предсказать.

В 2014 году синоптики по всему миру ждали мощного Эль-Ниньо. Океан нагрелся, пассаты ослабли, все признаки были налицо. А событие произошло только через год. Тихий океан словно передумал.

Эль-Ниньо — это когда тёплая вода в тропической части Тихого океана сдвигается к востоку, к берегам Южной Америки, и меняет погоду на всей планете.

Новая работа показывает, что океан может вести себя как маятник, у которого два разных режима качания. В одном режиме маятник регулярно взлетает высоко — это годы с сильными Эль-Ниньо. В другом режиме он мелко дрожит, и сильных событий нет. Самое неприятное, что переключение между режимами происходит без видимой причины, из-за ничтожно малых воздействий.

Учёные построили упрощённую математическую модель океана. В ней температура поверхности и глубина тёплого слоя меняются по трём уравнениям. Когда параметры подобрали определённым образом, модель показала два сосуществующих состояния. Первое — это цикл длиной около 12 лет с одним мощным Эль-Ниньо за период. Второе — хаотические колебания меньшей амплитуды, без сильных событий.

Граница между этими состояниями фрактальна: она бесконечно изрезана, как береговая линия. Чем ближе к границе, тем меньшее возмущение способно перебросить систему на другую сторону.

Даже слабое сезонное воздействие, в тысячу раз меньшее основных сил, заставляет модель метаться между режимами. В симуляции длиной 6000 лет серии сильных Эль-Ниньо могли длиться от одного цикла до 24 подряд, а эпохи без сильных событий затягивались на два столетия. Всё это без какого-либо внешнего толчка, только из-за внутренней динамики.

Маятник Тихого океана раскачивается сам, и его поведение принципиально непредсказуемо на долгий срок. Это не значит, что прогнозы бесполезны, но они должны быть вероятностными: не «будет ли Эль-Ниньо», а «какова вероятность сильного события». И эта вероятность может измениться в любой момент, как настроение океана.

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.

\begin{cases} x' = \rho\delta(x^2 - ax) + x(x + y + c - c\tanh(x+z)) \\ y' = -\rho\delta(ay + x^2) \\ z' = \delta(k - z - \frac{x}{2}) \end{cases}
x — разность температур поверхности моря между востоком и западом экваториальной части Тихого океана, y — температура поверхности западной части относительно номинальной, z — глубина термоклина западной части. Параметры δ, ρ, c, k, a представляют комбинации физических характеристик тропической части Тихого океана.
Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо эль-ниньо ла-нинья весенний барьер предсказуемости южная осцилляция многомерный индекс ЭНСО модель осциллятора с подзарядкой модель Джина–Тиммермана вспышка западных ветров ERSST межгодовая изменчивость объём тёплой воды распространение экваториальных волн естественная изменчивость северное экваториальное противотечение буйковые станции TAO/TRITON относительный они NOAA CPC сезонный цикл