Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНЮК) остаётся главным источником межгодовой изменчивости климата, но сила событий меняется нерегулярно: исключительно мощные эпизоды 1982–83, 1997–98 и 2015–16 годов разделены промежутками в 15–20 лет. Прогнозы 2014 года ожидали сильное Эль-Ниньо на год раньше, чем оно случилось, и этот промах подчеркнул ограниченность нашего понимания. Работа стоит в ряду исследований, которые ищут источники непредсказуемости в низкоразмерных моделях климатической системы, но отличается тем, что обнаруживает не просто хаос, а сосуществование двух качественно разных режимов с резкими переходами между ними. Это связывает её с задачами о ранних предвестниках климатических сдвигов и с анализом долгих записей палеоклимата, где видны эпохи с разной изменчивостью ЭНЮК.
Использована концептуальная модель Джина–Тиммерманна (JT) с тремя переменными состояния: разность температур поверхности востока и запада тропической части Тихого океана, температура запада относительно среднего и глубина термоклина на западе. Авторы применили бифуркационный анализ в программе MATCONT, чтобы найти области параметров, где сосуществуют два аттрактора: периодический режим смешанных колебаний (MMO) с сильными Эль-Ниньо и хаотический аттрактор без них. Затем в модель добавили слабое сезонное воздействие с амплитудой всего 0.002 в параметре a и проследили траекторию длиной 100 000 лет, выделяя эпохи пребывания вблизи каждого аттрактора по пороговым значениям специально выбранной наблюдаемой величины.
В модели JT при параметрах [δ, ρ, c, k, a] = [0.225423, 0.3224, 2.3952, 0.4032, 7.3939] сосуществуют два аттрактора. Один из них — почти периодический цикл с периодом около 12.1 года, включающий одно сильное Эль-Ниньо за цикл; другой — хаотический аттрактор, в котором переменная x (разность температур восток–запад) остаётся далеко от нуля и сильных событий нет. Бассейны притяжения этих аттракторов переплетены фрактально, а сами аттракторы лежат очень близко к своим границам бассейнов. При добавлении слабого годового воздействия (амплитуда 0.002) система нерегулярно переключается между режимами. В симуляции длиной 100 000 лет длительности эпох хаотического режима распределены примерно экспоненциально, а пары последовательных длительностей не показывают корреляции: знание длительности текущей эпохи не помогает предсказать следующую. Самая длинная эпоха составила около 540 лет, но большинство короче 400 лет.
Работа показывает, что непредсказуемость сильных Эль-Ниньо может быть следствием не просто хаотической чувствительности к начальным условиям, а резких переключений между двумя сосуществующими режимами динамики. Это отличается от соседних исследований, которые обычно рассматривают один аттрактор или плавные изменения режима. Здесь впервые в низкоразмерной модели ЭНЮК продемонстрирован механизм, при котором эпохи регулярных сильных событий могут внезапно сменяться эпохами без них, и время переключения принципиально непредсказуемо на десятилетнем масштабе.
Тема может развиваться в сторону поиска аналогичных режимов и переключений в полных климатических моделях и в палеоданных. Если в больших моделях обнаружатся подобные почти инвариантные множества, это изменит подход к прогнозированию ЭНЮК: вместо предсказания конкретного события придётся оценивать вероятность нахождения системы в том или ином режиме. Также возможно исследование роли шума и сезонного цикла в ускорении переходов и поиск наблюдаемых предвестников смены режима.
Результаты важны для сезонного и десятилетнего прогнозирования климата, для интерпретации палеоклиматических реконструкций ЭНЮК и для оценок риска экстремальных погодных явлений, связанных с сильными Эль-Ниньо.
Проверить, существуют ли подобные сосуществующие аттракторы и резкие переключения в более реалистичных моделях ЭНЮК; разработать методы обнаружения почти инвариантных множеств в данных наблюдений.
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой ограниченной предсказуемости ЭНЮК: почему сильные события возникают нерегулярно и можно ли предсказать их появление за пределами сезонного барьера предсказуемости. Она также затрагивает вопрос о том, насколько низкоразмерные модели способны воспроизводить ключевые черты изменчивости климата.
В модели JT сильное Эль-Ниньо наступает, когда разность температур востока и запада тропической части Тихого океана приближается к нулю: океан на мгновение становится почти «ровным» по температуре.