Сезонные качели климата: как связаны Эль-Ниньо и диполь Индийского океана ✎

Оригинал: "Coupling functions in climate"
arXiv:1909.05096 · 2019-09-03 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Двумерная стохастическая модель с функциями связи показывает, что Эль-Ниньо управляет сезонной изменчивостью диполя Индийского океана, а не наоборот.

На детской площадке двое качелей стоят рядом. Один ребёнок раскачивается сам, а второй почти не двигается, пока первый не подтолкнёт его ногой. В тропической части Тихого и Индийского океанов происходит нечто похожее, только вместо детей там тёплые и холодные массы воды.

Эль-Ниньо — это тёплая фаза колебания температуры океана, которая возникает раз в несколько лет и меняет погоду по всей планете. Диполь Индийского океана — разница температур между западной и восточной частями этого океана. Оба явления давно изучают по отдельности, но как именно они влияют друг на друга, оставалось неясным. Учёные построили математическую модель, которая связывает эти два индекса, и вычислили, кто кого раскачивает.

Модель работает как два уравнения с перекрёстными членами. Каждое уравнение описывает, как меняется температура в своём регионе, но с добавкой, которая зависит от разницы температур между регионами. Эту добавку называют функцией связи, и она показывает, насколько сильно одно явление тянет за собой другое.

Оказалось, что диполь Индийского океана почти не влияет на Эль-Ниньо: его функция связи весь год колеблется около нуля. Зато Эль-Ниньо действует на диполь заметно, особенно в августе, когда диполь только начинает созревать. В этот момент Эль-Ниньо стабилизирует его, не давая температуре уходить слишком далеко от среднего значения.

Проверка на данных за 149 лет подтвердила: модель воспроизводит реальные колебания обоих индексов и их совместное поведение. Пик связи приходится на октябрь, когда диполь достигает максимальной изменчивости. Это значит, что тёплые воды Тихого океана действительно управляют сезонным ритмом Индийского океана.

Такой подход можно применить к любой паре климатических индексов, чтобы построить сеть взаимодействий. Если связать несколько таких моделей, получится инструмент для сезонного прогнозирования аномалий в разных регионах. Качели на площадке оказываются не случайными соседями, а связанной системой, где один ребёнок задаёт ритм другому.

Названия Эль-Ниньо и Ла-Нинья связаны с Рождеством: тёплая фаза часто достигает пика в декабре, и перуанские рыбаки назвали её в честь младенца Иисуса.

\frac{d\eta_1}{dt} = a_1(t)\eta_1 + N_1(t)\xi_1(t) + b_{12}(t)(\eta_2-\eta_1), \quad \frac{d\eta_2}{dt} = a_2(t)\eta_2 + N_2(t)\xi_2(t) + b_{21}(t)(\eta_1-\eta_2)
Изменение каждой переменной определяется её собственной устойчивостью, шумом и разностью с другой переменной, умноженной на функцию связи.
Понятия
связь океана и атмосферы диполь индийского океана энсо буйковые станции TAO/TRITON многомерный индекс ЭНСО модель Зебиака–Кейна межгодовая изменчивость модель Джина–Тиммермана климатическая сеть индекс Эль-Ниньо телеконнекция эль-ниньо NOAA CPC сезонный цикл IRI североатлантическая осцилляция тропосферная двухлетняя осцилляция смешанные моды колебаний сезонный форсинг эмпирическая ортогональная функция