Почему погоду нельзя предсказать: хаос передаётся, как простуда ✎

Оригинал: "The Effects of El Niño on the Global Weather and Climate"
arXiv:1801.00891 · 2018-01-03 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 1 мин
Учёные показали, что непредсказуемость погоды может переходить из океана в воздух, как зараза, и поэтому точный прогноз больше чем на несколько дней невозможен.

Каждые несколько лет тёплое течение Эль-Ниньо в Тихом океане меняет погоду по всему миру: где-то дожди заливают поля, где-то солнце выжигает урожай. Учёные давно знают, что атмосфера ведёт себя хаотично: малейшее изменение сегодня может привести к буре через неделю. Но теперь выяснилось, что хаос умеет передаваться от океана к воздуху и обратно, как простуда в переполненном автобусе.

Математики взяли три простые модели: одну для тёплой воды, которую переносят течения, другую для Эль-Ниньо и третью для воздуха. Они связали их между собой и запустили на компьютере. Оказалось, что если в одну модель добавить немного хаоса, то соседняя модель, которая до этого была спокойной и предсказуемой, тоже начинает вести себя беспорядочно. Хаос распространяется по цепочке, как трещина по стеклу.

Пример из расчётов: модель воздуха с параметром r=0.35 сама по себе стабильна, но после подключения к хаотичному океану начинает выдавать нерегулярные колебания. Другая модель Эль-Ниньо с параметрами B=20, C=7 ведёт себя ровно, пока её не свяжут с хаотичным соседом — и тогда она срывается в пляску.

Раньше учёные думали, что непредсказуемость рождается в каком-то одном месте: то ли в атмосфере, то ли в океане. Теперь ясно, что дело не в месте, а в связях. Климатическая система — это сеть, где хаос бежит от узла к узлу. Поэтому точный прогноз погоды больше чем на несколько дней невозможен, даже если бы у нас были идеальные приборы. Пока это знание не помогает предсказывать погоду лучше, но оно меняет сам вопрос: вместо «где рождается хаос?» теперь спрашивают «как он распространяется?».

Лоренц, открывший хаос в атмосфере, задал знаменитый вопрос: «Может ли взмах крыла бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?» Эта работа показывает, что хаос может передаваться и через океан: тёплая вода в Тихом океане способна сделать непредсказуемой погоду в далёкой Атлантике.

Идея глобальной связности климата перекликается с романом Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя», где учёные пытаются понять и предсказать резкие изменения климата, вызванные нелинейными взаимодействиями океана и атмосферы.

\frac{dx}{dt} = -\sigma x + \sigma y, \quad \frac{dy}{dt} = rx - xz - y, \quad \frac{dz}{dt} = xy - bz
Классическая модель атмосферной конвекции, демонстрирующая хаос при определённых параметрах.
\frac{du}{dt} = B T_d - C u, \quad \frac{dT_d}{dt} = u T_s - T_d, \quad \frac{dT_s}{dt} = -u T_d - T_s + 1
Упрощённая модель Эль-Ниньо, сводящаяся к системе Лоренца; переменные — зональная скорость и разность/сумма температур поверхности океана.
\frac{\partial T}{\partial t} + u \frac{\partial T}{\partial x} + v \frac{\partial T}{\partial y} + w \frac{\partial T}{\partial z} = f(t,x,y,z,T)
Описывает перенос температуры поверхности океана течениями; источник f включает потоки тепла между океаном и атмосферой.
Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо эль-ниньо весенний барьер предсказуемости модель Джина–Тиммермана ла-нинья многомерный индекс ЭНСО естественная изменчивость ERSST южная осцилляция распространение экваториальных волн буйковые станции TAO/TRITON межгодовая изменчивость модель осциллятора с подзарядкой объём тёплой воды сезонный цикл эффект конденсатора Индийского океана NOAA CPC относительный они температура поверхности моря