Эль-Ниньо влияет на температуру, осадки и атмосферную циркуляцию над Америкой, Австралией, Европой, Индией и Восточной Азией, а сильные события запускают каскад последствий для жизни людей. Существующие модели прогноза всё ещё не дают надёжного предсказания начала и особенно силы Эль-Ниньо с заблаговременностью более полугода. Работа стоит рядом с исследованиями, которые используют климатические сети для прогноза Эль-Ниньо, солнечных циклов и других климатических паттернов, но отличается тем, что впервые применяет индекс беспорядка внутри самого региона Ниньо 3.4 для одновременного прогноза и начала, и силы события.
Авторы построили климатическую сеть из 105 узлов (точек сетки) в регионе Ниньо 3.4 (5°S–5°N, 120°W–170°W) на основе ежедневных температурных аномалий. Для каждой пары узлов вычислялась кросс-корреляция с временными лагами до 200 дней, и вес связи определялся по максимальному пику этой функции. Затем рассчитывался индекс прогноза FI как разность логарифмов средней связности сети за текущий и прошлые месяцы. Рост FI означает снижение когерентности (рост беспорядка) в регионе. Алгоритм прогноза: если FI непрерывно растёт не менее двух месяцев от локального минимума и пересекает ноль в нейтральный период (ONI между -0.5 и 0.5), это сигнал о возможном Эль-Ниньо в ближайшие 18 месяцев. Сила события оценивается по максимальному пику FI с момента окончания прошлого Эль-Ниньо. Метод проверен на четырёх наборах данных: ERA-Interim, NCEP Reanalysis I, PCMDI-AMIP 1.1.2 и ERSST.v5.
Индекс FI показал высокую точность прогноза начала Эль-Ниньо: доля правильных предсказаний (hit rate) составила от 0.81 до 0.95 в зависимости от набора данных, при уровне ложных тревог от 0.09 до 0.24. Среднее время упреждения составило от 6.9 до 12.2 месяцев. Для прогноза силы события корреляция Пирсона между предсказанной и наблюдаемой магнитудой Эль-Ниньо составила 0.76 для ERA-Interim, 0.39 для NCEP Reanalysis I, 0.70 для PCMDI-AMIP и 0.32 для ERSST.v5. Тест Колмогорова-Смирнова подтвердил статистическую значимость связи между предсказанной и наблюдаемой силой (D ≥ 0.37). Анализ распределений корреляций показал, что регион становится менее когерентным по мере приближения к пику беспорядка, а затем синхронизируется с началом Эль-Ниньо.
Работа показывает, что простой индекс, основанный только на температурной изменчивости внутри региона Ниньо 3.4, может одновременно предсказывать начало и силу Эль-Ниньо с заблаговременностью около года. Это отличается от соседних исследований, которые либо прогнозируют только начало, либо используют более сложные модели. Метод не требует данных о других регионах или океанических течениях, что делает его вычислительно лёгким и применимым к длинным рядам наблюдений. Результаты указывают на важную характеристику фазы цикла ЭНСО: значительный рост беспорядка в регионе задолго до начала события.
Возможно дальнейшее улучшение алгоритма за счёт комбинации с другими методами прогноза и моделями. Авторы предлагают определить энтропию на основе когерентности температурных вариаций, которая может колебаться периодически с циклом ЭНСО. Перспективно также применение индекса к более длинным рядам данных и другим климатическим явлениям, где важна синхронизация процессов в пространстве.
Метод может улучшить раннее предупреждение об Эль-Ниньо для сельского хозяйства, управления водными ресурсами и снижения риска стихийных бедствий в затронутых регионах.
Проверить индекс на независимых данных и в реальном времени, а также исследовать физические механизмы, связывающие рост беспорядка в регионе Ниньо 3.4 с последующим Эль-Ниньо.
Работа касается фундаментальной проблемы предсказуемости климатической системы на межгодовых масштабах. Она показывает, что внутренняя пространственная когерентность ключевого региона может служить предиктором крупномасштабного явления, что открывает путь к более простым и надёжным методам прогноза.
Индекс FI использует только данные о температуре в небольшом регионе Тихого океана, но предсказывает событие, влияющее на погоду по всему миру. Самое сильное Эль-Ниньо с 1948 года (2014–2016) было предсказано этим методом за год до начала.