Два маятника Тихого океана: как связанные регионы рождают и гасят Эль-Ниньо ✎

Оригинал: "Effect of Heterogeneity in Models of El-Niño Southern Oscillations"

· Chandrakala Meena, Shweta Kumari, Akansha Sharma, Sudeshna Sinha

arXiv:1705.08171 · 2017-05-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин

Две области Тихого океана, соединённые как маятники пружиной, могут раскачивать друг друга или вместе замереть.

Два маятника висят рядом, соединённые пружиной. Толкните один — и через пружину второй начнёт раскачиваться. Так устроены две области экваториального Тихого океана, где температура поверхности то поднимается, то опускается в ритме Эль-Ниньо.

Каждый регион сам по себе напоминает маятник с задержкой: вода нагревается, тёплое течение уходит на запад, а через несколько месяцев возвращается волной, которая охлаждает поверхность. Время этого возврата составляет от 237 до 439 дней в зависимости от ширины бассейна. Если регионы соединить, как пружиной, один может передать свой ритм другому.

С 1899 года зарегистрировано 29 событий Эль-Ниньо, средний период между ними — около 3,7 года, но интервалы скачут от двух до семи лет.

Учёные построили модель из двух связанных маятников с разными задержками и силами самоторможения. Оказалось, что слишком жёсткая пружина, то есть сильная связь между регионами, гасит колебания в обоих: маятники замирают. Слабая пружина, наоборот, позволяет региону с большей задержкой раскачать соседний, который сам по себе давно бы успокоился. Так рождаются нерегулярные, но устойчивые колебания температуры.

При этом регионы не обязаны быть одинаковыми. Если их параметры различаются, чаще всего один маятник замирает, а другой продолжает качаться, либо оба застывают в разных положениях. Период колебаний, если они есть, остаётся общим для обоих, даже когда задержки разные.

Раньше нерегулярность Эль-Ниньо объясняли случайным шумом атмосферы. Новая модель показывает, что сложный узор может возникнуть сам по себе, из-за связи двух неодинаковых регионов.

Эта работа меняет взгляд на предсказуемость климатических колебаний. Если два маятника океана связаны слабо, система остаётся чувствительной к малейшим толчкам, но не разваливается. Понимание того, какие регионы сильнее влияют друг на друга, поможет климатологам лучше интерпретировать данные наблюдений и оценивать, где ждать синхронных аномалий температуры. Аналогия с маятниками возвращает нас к простому правилу: иногда, чтобы заставить систему колебаться, нужно не усиливать связь, а ослабить её.

Весь граф →

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.

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

Я автор

Два маятника Тихого океана: как связанные регионы рождают и гасят Эль-Ниньо ✎