Климатическая сеть: как Эль-Ниньо сжимает зону влияния и бьёт точечно ✎

Оригинал: "Climate network suggests enhanced El Niño global impacts in localized areas"
arXiv:1609.00547 · 2016-09-02 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 4 мин
Направленная климатическая сеть показывает, что во время Эль-Ниньо и Ла-Нинья воздействие на планету становится сильнее, но сосредоточено в меньших областях.

Контекст

Климатические сети стали стандартным инструментом для анализа сложных климатических явлений, таких как Эль-Ниньо — одно из самых сильных климатических явлений на десятилетних масштабах. Эль-Ниньо вызывает потепление восточной тропической части Тихого океана на несколько градусов, а последующее охлаждение называют Ла-Нинья. Это явление влияет на удалённые регионы, включая Северную Америку, Австралию, Европу, Южно-Китайское море, Индийский океан и тропическую Северную Атлантику, приводя к потеплению, усилению дождей в одних регионах и засухам в других, а также к упадку рыболовства, голоду, эпидемиям, политической нестабильности и экономическим изменениям. Работа стоит на отшибе архива: рядом исследования по солнечным циклам, старым летописям о погоде, предсказанию Эль-Ниньо за полтора года, нейросетям для анализа Земли и экосистемам под ритм природы. Эти работы лежат в русле применения сетевых и статистических методов к климатическим данным, но данное исследование отличается направленным подходом, фокусирующимся только на исходящих связях из бассейна Эль-Ниньо.

Методы

Климатическая сеть построена на основе глобальных ежедневных полей приземной температуры воздуха (1000 гПа) из набора данных реанализа NCEP/NCAR с пространственным разрешением 2.5°×2.5° (всего 10512 узлов сетки) за период с января 1948 по апрель 2016. Для устранения сезонности из каждого временного ряда вычли средний сезонный цикл и разделили на сезонное стандартное отклонение. Узлы разделены на два подмножества: 57 узлов внутри бассейна Эль-Ниньо (ENB, регион 5°N–5°S, 120°–170°W) и 10455 узлов вне его. Для каждой пары узлов из разных подмножеств вычислили кросс-корреляцию временных рядов длиной 365 дней с лагом до 200 дней. Нашли пик абсолютного значения кросс-корреляции и соответствующий временной лаг. Знак лага определяет направление связи: если лаг положительный, связь исходит из ENB. Рассматривали только исходящие из ENB связи с абсолютным лагом не более 150 дней. Вес связи определили как нормированную кросс-корреляцию. Для каждого узла вне ENB вычислили суммарный «входящий» вес от всех узлов ENB. События Эль-Ниньо и Ла-Нинья отбирали по индексу ONI (средняя за 3 месяца аномалия температуры поверхности моря в регионе Niño 3.4) с порогом |ONI|>1°C. Рассмотрели 11 событий Эль-Ниньо и 9 событий Ла-Нинья. Для каждого события использовали временной ряд с 1 июля предшествующего года по 30 июня следующего. Для сравнения событий строили тепловые карты кросс-корреляций между картами «входящих» весов и определяли значимость через перемешивание карт (разбиение на 18 равных областей и перестановку их порядка). Сообщества событий выделяли алгоритмом оптимизации модулярности.

Результаты

Во время Эль-Ниньо и Ла-Нинья регионы с высокими «входящими» весами совпадают с областями известных температурных аномалий: Северная Америка, Южная Америка, Европа, Индия, Южная Африка, Австралия. Кросс-корреляция между картами «входящих» весов и картами средних зимних аномалий температуры составила 0.63 для Эль-Ниньо и -0.59 для Ла-Нинья (для меры на основе C), что указывает на согласованность. Ключевой результат: во время Эль-Ниньо/Ла-Нинья общая площадь, подверженная влиянию, уменьшается, но в этих локализованных областях воздействие усиливается. Это видно из сравнения распределений «входящих» степеней: в годы Эль-Ниньо больше чёрных областей (нет связей) и больше тёмно-красных областей (все 57 связей от ENB входящие), чем в нормальные годы. Количественно, число узлов с ненулевой «входящей» степенью резко падает во время событий, а средний «входящий» вес на узел значительно возрастает. Причина в том, что во время Эль-Ниньо/Ла-Нинья все 57 узлов ENB синхронизированы (тёплые или холодные одновременно), поэтому для каждого затронутого узла вне ENB все 57 связей имеют одинаковое направление. В нормальные годы часть ENB коррелирует, часть нет, что снижает общую корреляцию и расширяет области корреляции. Анализ сходства событий: 11 событий Эль-Ниньо разделились на три сообщества на основе значимых кросс-корреляций карт «входящих» весов. Тепловая карта для тропиков (20°S–20°N) наиболее похожа на глобальную, что указывает на доминирующий вклад тропических воздействий в классификацию событий.

Значение

Работа впервые использует только «входящие» направленные связи, исходящие из бассейна Эль-Ниньо, что позволяет получить карту глобальных воздействий конкретного события и изучать локальные эффекты. Это отличается от соседних работ, которые часто используют пороговые значения для значимых связей или анализируют всю сеть. Метод выявляет, что воздействие Эль-Ниньо не глобально однородно, а концентрируется в ограниченных областях, причём эти области меняются от события к событию. Сходство событий, оценённое через структуру сообществ сети, предлагает новый способ классификации типов Эль-Ниньо, дополняющий классификацию по местоположению максимума аномалий температуры поверхности моря.

Развитие

Подход может быть применён к другим климатическим переменным, таким как осадки, давление или температура поверхности океана, для выявления их телесвязей. Дальнейшее развитие может включать использование более длинных рядов данных, более высокого разрешения и других реанализов для проверки устойчивости результатов. Возможно включение дополнительных узлов в бассейн Эль-Ниньо или учёт нелинейных взаимодействий. Также перспективно исследовать предсказательную силу «входящих» весов для прогноза региональных аномалий за несколько месяцев.

Влияние

Результаты могут улучшить понимание и прогнозирование событий Эль-Ниньо и Ла-Нинья, а также их региональных последствий. Метод применим в климатологии, метеорологии и смежных областях, где важны телесвязи.

Следующие шаги

Проверить воспроизводимость на других наборах данных (например, ERA-Interim) и для других климатических переменных. Исследовать, можно ли использовать «входящие» веса для оперативного прогноза аномалий в конкретных регионах.

Ключевые проблемы

Работа связывает структуру климатической сети с известной проблемой неоднородности воздействия Эль-Ниньо: почему одни регионы сильно реагируют, а другие нет. Это помогает уточнить механизмы телесвязей и может способствовать решению проблемы предсказуемости региональных климатических аномалий.

Во время сильного Эль-Ниньо 2015–2016 годов, одного из самых сильных с 1948 года, исследователи смогли подтвердить большинство затронутых регионов, используя данные только предыдущих событий, что демонстрирует прогностический потенциал метода.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» климатические сети и хаотическая динамика океана играют ключевую роль в понимании резких изменений климата, что перекликается с попытками уловить телесвязи Эль-Ниньо.

Ключевые числа

  • порог ONI для отбора событий: 1°C
  • количество узлов сетки: 10512
  • количество узлов в бассейне Эль-Ниньо: 57
  • максимальный временной лаг: 200 дней
  • число событий Эль-Ниньо: 11
  • число событий Ла-Нинья: 9
Понятия
эль-ниньо ла-нинья климатическая сеть океанический индекс нино энсо относительный они NOAA CPC обратная связь Бьеркнеса объём тёплой воды североатлантическая осцилляция эффект конденсатора Индийского океана вспышка западных ветров ERSST многомерный индекс ЭНСО межгодовая изменчивость весенний барьер предсказуемости сезонный цикл модель Зебиака–Кейна южная осцилляция сеть