Климат крутится: как учёные увидели невидимое вращение погоды ✎

Оригинал: "Nonequilibrium oscillations, probability angular momentum, and the climate system"
arXiv:1909.10505 · 2019-09-23 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Погодные циклы, такие как Эль-Ниньо, оставляют след в виде вращения, которое можно измерить с помощью нового инструмента.

Когда вы едете на велосипеде, колёса крутятся, и вы это видите. У климата тоже есть вращение, только его нельзя увидеть глазами: оно происходит в мире чисел, где каждое состояние погоды — это точка. Учёные нашли способ измерить это вращение, как будто приделали к климату спидометр. Вероятностный угловой момент — так называется новый инструмент, который показывает, насколько быстро и в какую сторону климат «крутится» между разными состояниями.

Эль-Ниньо — это тёплое течение, которое приходит раз в несколько лет и меняет погоду по всему миру. За ним следят по двум числам: температуре воды в океане и глубине, где вода тёплая. Если нарисовать эти два числа на плоскости, получится точка, которая со временем движется. И это движение не случайное: точка ходит по кругу, как стрелка часов. Новый инструмент как раз и измеряет, насколько сильно она крутится.

В обычной жизни, если что-то крутится одинаково в обе стороны, в среднем получается ноль. А у климата вращение получается несимметричным: в одну сторону крутится чаще, чем в другую. Это и показывает, что климат не находится в покое, а постоянно подталкивается солнечным теплом.

Учёные взяли данные по Эль-Ниньо за 56 лет и по другому климатическому циклу, который живёт несколько недель. Для каждого дня они посчитали маленький поворот точки на плоскости. Потом сложили все повороты и увидели, что распределение несимметрично: чаще всего поворота нет, но иногда он резко появляется в одну сторону. Это как если бы спидометр обычно показывал ноль, но иногда стрелка дёргалась вправо.

Раньше было непонятно, как найти такое вращение в реальных данных. Теперь инструмент есть, и его можно использовать для проверки климатических моделей. Если модель не показывает вращения, значит, она что-то упускает. А ещё этот же приём можно применить к другим системам, которые постоянно получают и отдают энергию, например к живым организмам.

Вероятностный угловой момент имеет те же единицы, что и коэффициент диффузии: квадрат длины, делённый на время. Для Эль-Ниньо с его индексами температуры (°C) и глубины (см) единицы получаются экзотическими: °C·см/месяц.

Идея о том, что климатические осцилляции являются проявлением скрытых вращений в абстрактном пространстве, перекликается с романом Айзека Азимова «Конец Вечности», где изменения реальности описываются как петли в многомерном пространстве состояний.

L^*_{\alpha\beta} = \int dx \left( x_\alpha j^*_\beta - x_\beta j^*_\alpha \right)
Средний угловой момент, создаваемый стационарным потоком вероятности j* в фазовом пространстве.
L^* = \Lambda = C_0 A^T - A C_0
В линейной гауссовой модели вероятностный угловой момент равен антисимметричной части произведения ковариационной матрицы и матрицы релаксации.
\frac{\langle L \rangle}{\sigma_\ell} = \sqrt{\frac{\ell^2}{\sigma_0^2 + \ell^2}}
Показывает, что среднее значение вероятностного углового момента не может превышать его стандартное отклонение, что важно для оценки значимости.
Понятия
естественная изменчивость энсо модель Джина–Тиммермана южная осцилляция весенний барьер предсказуемости неравновесие южная осцилляция эль-ниньо многомерный индекс ЭНСО стохастическая динамическая система индекс Эль-Ниньо модель осциллятора с подзарядкой ансамблевый прогноз уравнение Больцмана вероятностный прогноз распределение Больцмана северное экваториальное противотечение стохастический закон сохранения момента импульса мода изменчивости ERSST