Термометр океана вместо барометра: новый взгляд на климатические индексы

Оригинал: "Redefining climate index with sea surface temperature of key area can better express atmospheric physical activity"
arXiv:1709.07146 · 2017-09-21 · CC BY-SA 4.0 · 2 мин
Переопределение климатических индексов через разность температур поверхности океана резко усиливает их связь с речным стоком и указывает на общий астрономический драйвер.

Сто лет климатологи измеряют пульс океана барометром. Индексы вроде Эль-Ниньо или Северо-Атлантического колебания строят на разности атмосферного давления между двумя точками, а потом удивляются, почему реки не слушаются. Корреляция с речным стоком держится на уровне 0.1–0.2, то есть почти никакой. Авторы новой работы предлагают сменить прибор: вместо барометра взять термометр и мерить не давление, а разность температур поверхности моря в тех же районах.

Разница оказывается решающей. Классические индексы проходят через нелинейную стандартизацию, которая съедает физический сигнал. Если же просто вычесть среднюю температуру одного участка океана из средней температуры другого, то связь с речным стоком взлетает. Для станции Ханькоу на Янцзы корреляция с новым индексом Эль-Ниньо достигает 0.79, а для станции Банги на реке Убанги с индексом Антарктического колебания — 0.91. Для сравнения: корреляция между температурой воздуха и температурой кипения воды в одном чайнике близка к единице, но 0.9 для климатических рядов — это почти идеальное совпадение.

Ключевой приём — отказ от стандартизации. Стандартизация превращает данные в безразмерные числа, но при этом искажает амплитуду и фазу колебаний. Сырая разность температур сохраняет физический масштаб явления.

Авторы проверили связь новых индексов с данными семидесяти рек мира за полтора века. Почти везде корреляции подскочили выше 0.5, а часто и выше 0.8. Но самое интересное открылось, когда временные ряды корреляций наложили на орбитальные параметры Земли. Выяснилось, что сила связи между океаном и реками меняется с периодом в шесть месяцев, точно повторяя цикл изменения расстояния между Землёй и Солнцем.

Это значит, что общий драйвер климатических колебаний находится не внутри системы океан-атмосфера, а в космосе. Земля то приближается к Солнцу, то отдаляется, и этот ритм задаёт температурные контрасты океана. Если гипотеза подтвердится, то климат и речной сток можно будет рассчитывать на десятилетия вперёд, зная лишь орбитальную механику.

Термометр вместо барометра — это не просто замена прибора. Это смена точки зрения: климат управляется не внутренними колебаниями, а внешним космическим ритмом.

Практическая польза очевидна: гидрологи получают инструмент для точного прогноза наводнений и засух. Фермеры смогут планировать посевы, а городские службы — готовиться к паводкам. Но главное — это шаг к пониманию того, что климатическая система Земли не замкнута, а дышит в такт движению планеты вокруг звезды.

Корреляция между температурой поверхности моря в районе Алеутских островов и стоком реки Инд на станции Дарбанд достигает 0.911, что сравнимо с корреляцией между температурой воздуха и температурой кипения воды в одном чайнике.

r_{xy} = \frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})^2} \sqrt{\sum_{i=1}^{n}(y_i - \bar{y})^2}}
Мера линейной связи между двумя временными рядами, используемая для оценки корреляции между климатическими индексами и стоком.
r_k = \sqrt{\frac{t_{\alpha}^2}{n - 2 + t_{\alpha}^2}}
Пороговое значение для проверки значимости корреляции при заданном уровне доверия.
Понятия
температура поверхности моря аномалия температуры поверхности моря индекс южной осцилляции связь океана и атмосферы индекс Эль-Ниньо телеконнекция южная осцилляция энсо климат ERSST NOAA CPC диполь индийского океана относительный они OISST v2.1 Ниньо 4 атмосфера естественная изменчивость спутниковые слои ла-нинья годовой цикл