Река, которая сопротивляется разгону ✎

Оригинал: "Long-range properties and data validity for hydrogeological time series: the case of the Paglia river"
arXiv:1611.09167 · 2016-11-24 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Двадцать два года получасовых измерений стока реки Паглия показали: после всплеска воды река не продолжает расти, а откатывается назад, как маятник.

Река Паглия ведёт себя как маятник, который сопротивляется разгону. Если в неё внезапно выливается много воды, она не продолжает набирать силу, а быстро откатывается назад, к обычному уровню. Такое поведение называется антиперсистентностью, и его обнаружили в двадцатидвухлетнем ряду получасовых измерений стока возле итальянского города Орвието.

Каждые тридцать минут приборы записывали, сколько кубометров воды проходит через створ. Накопилось 377 399 замеров. Учёные применили к этому ряду метод, который убирает медленные тренды и смотрит, как связаны между собой соседние колебания. Оказалось, что показатель Хёрста (мера долгосрочной памяти) в среднем равен одной трети. Случайное блуждание дало бы половину, а единица означала бы, что река помнит прошлое очень долго. Одна треть говорит об обратном: система упрямо возвращается к равновесию.

Показатель Хёрста для Паглии около 0,34. Это как если бы после каждого шага вперёд река делала полшага назад.

Но маятник качается не хаотично. В изменениях показателя Хёрста со временем проступили ритмы с периодами около 12, 6, 3 и 2,5 дней. Эти периоды напоминают циклы крупных атмосферных явлений, таких как Эль-Ниньо и Североатлантическое колебание. Похоже, что далёкий океан дёргает за ниточку, а река отвечает собственными колебаниями.

Ещё одна находка заставляет задуматься о качестве самих данных. Закон Бенфорда предсказывает, как часто в реальных измерениях должны встречаться первые цифры: единица чаще двойки, двойка чаще тройки и так далее. В стоке Паглии это правило не выполняется. Причина, вероятно, в том, что уровень воды измеряли с точностью до сантиметра, а потом пересчитывали в сток по фиксированной формуле. Из-за этого в данных появились «ступеньки»: некоторые значения повторяются более десяти тысяч раз.

Два самых частых значения стока встречаются в ряду более 10 000 раз каждое. Это не свойство реки, а следствие округления измерений.

Раньше было неясно, обладает ли сток малой средиземноморской реки долгосрочной памятью и можно ли доверять стандартным гидрологическим измерениям. Теперь видно: Паглия антиперсистентна, её распределение стоков соответствует сложной системе, а данные не проходят проверку законом Бенфорда. Такая проверка помогает оценивать риски наводнений для рек с похожим характером и заодно проверять, насколько надёжны записи с гидрологических постов. Маятник продолжает качаться, но теперь мы лучше понимаем, что заставляет его возвращаться.

Два самых частых значения стока в данных повторяются более 10 000 раз каждое. Это следствие того, что уровень воды измерялся с точностью до сантиметра, а сток вычислялся по фиксированной формуле, что создавало «ступеньки» в данных.

Понятия
тихоокеанская декадная осцилляция показатель Хёрста мультифрактальный анализ флуктуаций с удалением тренда нелинейный спектральный анализ Лапласиана закон Бернулли