Каждый день океан в тропической части Тихого океана ведёт тихий разговор сам с собой: температура воды в одних местах чуть выше, в других чуть ниже, и эти пятна тепла и холода медленно перетекают друг в друга. Этот разговор кажется случайным, но в нём скрыт сигнал. Авторы нового исследования научились слушать этот шум и различать в нём предвестника Эль-Ниньо — тёплой фазы тихоокеанского климатического цикла, которая раз в несколько лет переворачивает погоду на всей планете.
Эль-Ниньо — это как если бы в оркестре океанских течений вдруг начинал громче играть один инструмент: вода у берегов Южной Америки становится аномально тёплой, и это тепло расходится по всему миру. Проблема в том, что предсказать силу такого события за год почти невозможно: с февраля по май точность всех моделей резко падает, и это явление называют весенним барьером предсказуемости. Авторы работы обошли этот барьер, взглянув не на сами температуры, а на их беспорядок.
Для этого они ввели меру системной выборочной энтропии — число, которое растёт, когда температурные ряды в 22 точках региона Ниньо 3.4 ведут себя всё менее похоже друг на друга и на самих себя во времени. Проще говоря, это измеритель того, насколько океан «нервничает». И оказалось, что чем выше эта мера в предыдущем календарном году, тем сильнее будет Эль-Ниньо в следующем. Для одного из наборов данных корреляция достигает 0.99 — почти идеальное совпадение.
Это не просто статистическая уловка. Старые способы считать энтропию давали корреляцию лишь 0.42, потому что упускали из виду пространственную асинхронность: они смотрели на каждый ряд отдельно, а не на весь узор целиком. Новый метод работает как переводчик, который улавливает не отдельные слова, а смысл всей фразы. Благодаря этому прогноз начала события с горизонтом в год даёт 9 из 10 правильных предсказаний, а прогноз магнитуды ошибается в среднем всего на 0.23°C.
Физический смысл этой связи ещё предстоит выяснить. Возможно, сильные Эль-Ниньо связаны с интенсивной турбулентностью, которая сглаживает горизонтальные перепады температуры и тем самым уменьшает энтропию. Если это так, то мера сложности окажется не просто удобным индикатором, а окном в механику океана. Пока же практическая польза очевидна: сельское хозяйство, управление водными ресурсами и подготовка к стихийным бедствиям могут получить предупреждение за год, а не за полгода. Океан продолжает свой тихий разговор, но теперь у нас есть способ услышать в нём важное.
Для события 1997 года, одного из сильнейших за столетие, энтропия предыдущего года была максимальной за весь период наблюдений. Значение SysSampEn для 1996 года составило 1.25, что почти вдвое выше, чем для годов без Эль-Ниньо.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» учёные пытаются предсказать резкие изменения климата, используя нелинейные методы анализа данных. SysSampEn — реальный шаг в этом направлении: мера сложности позволяет увидеть сигнал там, где классические модели слепы.