Антарктическая циркумполярная волна (АЦВ) — доминирующий межгодовой сигнал в Южном океане, влияющий на глобальный климат, но её пространственно-временная структура и физические механизмы остаются предметом споров. Исторически АЦВ описывали как бегущую на восток волну с периодом 4–5 лет и волновым числом 2, однако разные методы анализа давали противоречивые результаты: одни исследования находили стоячий диполь, другие — бегущую волну, третьи — комбинацию сигналов. Эти расхождения отчасти вызваны субъективной фильтрацией данных, которая может смешивать сигналы от разных физических процессов. Работа стоит в русле исследований, применяющих передовые методы анализа климатических данных для разделения вкладов тропического воздействия и локального взаимодействия океана и атмосферы, как, например, работы по гравитационным волнам или нейтронным звёздам, где также важно выделить слабые когерентные сигналы из шума.
Авторы применили нелинейный лапласовский спектральный анализ (NLSA) — метод, основанный на теории динамических систем и ядерных методах машинного обучения. В отличие от классического EOF-анализа, NLSA работает с данными в пространстве задержек и использует анизотропные конусные ядра, которые учитывают локальную динамику. Это позволяет одновременно выделять несколько временных масштабов без предварительной обработки: не удалялись тренды, сезонный цикл и не применялась полосовая фильтрация. Анализировались данные температуры поверхности океана (SST) и концентрации морского льда (SIC) из 1300-летнего контрольного прогона модели CCSM4 и наблюдений HadISST за 1979–2017 гг. Для изучения телеконнекций с тропиками отдельно анализировались данные SST в Индо-Тихоокеанском регионе. Дополнительно реконструировались аномалии геопотенциальной высоты 850 гПа для выявления волновых цепочек Россби.
NLSA выделил иерархию мод: периодические моды годового цикла, межгодовые моды АЦВ и их комбинационные моды, декадные и трендовые моды. Основная мода АЦВ с волновым числом 2 имеет пиковую частоту около 0.25 циклов в год (период ~4 года) и распространяется на восток. В определённые фазы её пространственная структура образует диполь между восточной Пацификой и западной Атлантикой, что объясняет статистическое происхождение Антарктического диполя, ранее считавшегося стоячей волной. Обнаружено семейство комбинационных мод с частотами вида |m·$f_{ACW}$ + n·$f_A$|, где $f_A$ — годовой цикл. Эти моды могут распространяться как на восток, так и на запад, и имеют меридиональную пульсацию, напоминающую явления повторного появления морского льда в Арктике. Они объясняют больше дисперсии в Индийском океане, чем основные моды АЦВ. Корреляция между модами АЦВ с волновым числом 2 и модами ЭНСО, выделенными из тропических данных, достигает 0.9, что подтверждает телеконнекцию через тихоокеанско-южноамериканскую волновую цепочку. Волна с волновым числом 3 не показала значимой корреляции с тропиками, что указывает на её локальное происхождение.
Работа демонстрирует, что противоречия в предыдущих исследованиях АЦВ во многом объясняются субъективной фильтрацией данных. Объективный метод NLSA без предварительной обработки выявляет, что Антарктический диполь — не отдельная мода, а фаза бегущей волны. Это меняет представление о динамике Южного океана: вместо статичного диполя — непрерывно бегущая волна с переменной амплитудой. Кроме того, впервые из антарктических данных выделена полная иерархия комбинационных мод с годовым циклом, что открывает путь к изучению нелинейных взаимодействий в системе океан-атмосфера-лёд. Отличие от соседних работ, таких как исследования гравитационных волн или нейтронных звёзд, в том, что здесь применён метод NLSA, специально разработанный для климатических данных и позволяющий работать с многомасштабной изменчивостью без априорных предположений.
Планируется уточнить и дополнительно оценить выявленные паттерны с помощью недавно разработанных методов оператора Купмана для высокоразмерных пространственно-временных климатических данных. Также перспективно использование тесной корреляции между модами АЦВ и ЭНСО для прогностических исследований, например, через расширение NLSA для аналогового прогнозирования. Это может улучшить сезонные и межгодовые прогнозы состояния Южного океана и морского льда.
Результаты повлияют на понимание глобальной климатической изменчивости, особенно в Южном полушарии, и на интерпретацию данных наблюдений и моделей. Они также могут быть полезны для совершенствования схем параметризации в климатических моделях, учитывающих нелинейные взаимодействия между годовым циклом и межгодовыми модами.
Следующим шагом будет применение операторных методов Купмана к тем же данным для проверки воспроизводимости иерархии мод. Также планируется разработка прогностической модели на основе выявленных мод для предсказания аномалий температуры и льда в Южном океане.
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой климатологии Южного океана: разделение вкладов тропического воздействия (телеконнекции ЭНСО) и локального взаимодействия океана и атмосферы в формировании Антарктической циркумполярной волны. Она также затрагивает проблему объективного выделения когерентных структур из зашумлённых климатических данных, что важно для многих областей науки о климате.
Антарктическая циркумполярная волна обходит Антарктиду примерно за 8 лет, перенося аномалии температуры и льда со скоростью около 6–8 см/с, что сравнимо со скоростью пешехода.