Гетерогенность в моделях Эль-Ниньо: как связанные регионы Тихого океана рождают и гасят колебания ✎

Оригинал: "Effect of Heterogeneity in Models of El-Niño Southern Oscillations"
arXiv:1705.08171 · 2017-05-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Связь двух областей Тихого океана с разными задержками океанических волн может как подавить, так и породить колебания Эль-Ниньо.

Контекст

Работа стоит на отшибе среди исследований по динамике Эль-Ниньо: рядом лежат работы о задержках, которые запускают ритм, о тепловом насосе океана Энцелада, о давлении в сверхпроводниках, о магнитном ключе в спирали жизни, о квантовом кружеве гравитации, о шуме, рождающем порядок, о предсказании Эль-Ниньо за полтора года и о зеркальном разломе нейтрино. Большинство соседей рассматривают либо одиночный осциллятор с шумом, либо глобальные климатические эффекты. Данная статья выделяется тем, что моделирует взаимодействие двух детерминированных субрегионов океана с разными параметрами, что до этого систематически не изучалось в контексте Эль-Ниньо.

Методы

Авторы строят систему из двух связанных дифференциальных уравнений с запаздыванием для аномалий температуры поверхности океана в двух субрегионах. Каждый регион описывается моделью задержанного осциллятора: положительная обратная связь через адвекцию, кубическое затухание и отрицательная обратная связь с запаздыванием, отражающая время прохождения экваториальных волн Кельвина и Россби через бассейн. Связь между регионами линейна и моделирует поток энергии через общую границу. Исследуются случаи идентичных и неидентичных субрегионов (разные силы самозадержки и задержки). Анализ включает построение фазовых диаграмм, анализ устойчивости неподвижных точек через якобиан, оценку бассейновой устойчивости и вычисление ошибки синхронизации.

Результаты

Для идентичных субрегионов при слабой межрегиональной связи наблюдаются сосуществование амплитудной и осцилляторной смерти при малых задержках и гетерогенные колебания при больших задержках. При умеренной связи возникают однородные колебания для достаточно больших задержек и амплитудная смерть для малых. Сильная связь полностью подавляет колебания. Большие силы самозадержки способствуют колебаниям, а слабая задержанная связь их гасит, что подтверждает ключевую роль океанических волн в возникновении ЭНСО. Для неидентичных субрегионов преобладают осцилляторная смерть и гетерогенные колебания, в отличие от однородного случая. При слабой связи регион с высокой задержкой может индуцировать колебания в регионе, который в изоляции пришёл бы к стационарному состоянию. Период колебаний растёт с увеличением задержки и одинаков для обоих регионов даже при разных параметрах.

Значение

Работа показывает, что детерминированная связь между субрегионами океана может порождать сложные нерегулярные паттерны, качественно похожие на наблюдаемые данные ЭНСО, без необходимости внешнего шума. Это отличается от распространённых стохастических расширений recharge-осциллятора, где нерегулярность вносится шумом. Модель предлагает механизм синхронизации или её отсутствия в аномалиях температуры разных регионов и подчёркивает, что сильная связь подавляет колебания, а слабая связь неидентичных регионов может их усиливать.

Развитие

Тема может развиваться в сторону включения большего числа субрегионов, учёта пространственной неоднородности параметров и сравнения с реальными временными рядами температуры поверхности океана в разных долготных зонах. Возможно исследование влияния топологии сети связей на возникновение коллективных колебаний и переходов к синхронизации. Также перспективно изучение роли нелинейных форм связи и запаздываний, зависящих от состояния.

Влияние

Результаты могут быть полезны для климатологов, изучающих региональные проявления ЭНСО и их взаимосвязь, а также для специалистов по нелинейной динамике связанных систем с запаздыванием.

Следующие шаги

Следующим шагом может быть калибровка параметров модели по данным наблюдений для конкретных пар регионов экваториальной части Тихого океана и проверка предсказаний о синхронизации. Также стоит исследовать влияние шума на выявленные детерминированные режимы.

Ключевые проблемы

Работа затрагивает фундаментальную проблему климатологии: насколько нерегулярность Эль-Ниньо обусловлена внутренней динамикой океана и атмосферы, а насколько внешним шумом. Показано, что гетерогенность и связь субрегионов сами по себе могут создавать сложные временные паттерны, что ставит вопрос о пределах предсказуемости ЭНСО.

С 1899 года зарегистрировано 29 событий Эль-Ниньо, что даёт средний период около 3,7 года, хотя интервалы варьируются от двух до семи лет.

\frac{dT}{dt} = T - T^3 - \alpha T(t-\delta)
Скорость изменения аномалии температуры определяется положительной обратной связью (T), кубическим затуханием (-T^3) и отрицательной обратной связью с запаздыванием (-\alpha T(t-\delta)).
\frac{dT_1}{dt} = T_1 - T_1^3 - \alpha_1 T_1(t-\delta_1) + \gamma T_2, \quad \frac{dT_2}{dt} = T_2 - T_2^3 - \alpha_2 T_2(t-\delta_2) + \gamma T_1
Каждый регион описывается тем же уравнением, что и одиночный, но с дополнительным линейным членом связи (\gamma T_j), моделирующим поток энергии между регионами.

Ключевые числа

  • средний период Эль-Ниньо: 3.7 года
  • задержки волн Россби для двух регионов: 329 и 178 дней
  • задержки волн Кельвина для двух регионов: 110 и 59 дней
  • полное время прохождения волн для двух регионов: 439 и 237 дней
  • число событий Эль-Ниньо с 1899 года: 29
Понятия
южная осцилляция эль-ниньо энсо южная осцилляция модель осциллятора с подзарядкой модель Джина–Тиммермана многомерный индекс ЭНСО индекс Эль-Ниньо ла-нинья весенний барьер предсказуемости связь океана и атмосферы буйковые станции TAO/TRITON обратная связь Бьеркнеса северное экваториальное противотечение распространение экваториальных волн эффект конденсатора Индийского океана вспышка западных ветров смешанные моды колебаний ERSST теория запаздывающего осциллятора объём тёплой воды