Сеть, которая слышит Эль-Ниньо за год ✎

Оригинал: "Very early warning signal for El Niño in 2020 with a 4 in 5 likelihood"
arXiv:1910.14642 · 2019-10-31 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Климатическая сеть предсказала возвращение Эль-Ниньо в 2020 году с вероятностью 80%.

Тихий океан похож на огромный духовой оркестр, где каждый музыкант — это точка на карте погоды. Обычно они играют кто во что горазд: в одном месте воздух прогревается, в другом остывает, и общая мелодия кажется случайным шумом. Но раз в несколько лет инструменты вдруг начинают звучать в унисон, и тогда по планете прокатывается волна засух, наводнений и аномальной жары. Этот согласованный рёв и есть Эль-Ниньо — тёплая фаза тихоокеанского климатического цикла, которая сбивает погоду по всему миру.

Учёные давно пытались расслышать первые ноты этого концерта заранее, но упирались в стену, которую называют «весенним барьером». Каждую весну прогностические модели теряли уверенность: они не могли заглянуть дальше чем на полгода. А потом в Потсдамском институте климатических исследований решили не слушать каждый инструмент по отдельности, а следить за тем, насколько слаженно они играют. Они построили сеть из 207 точек — 14 в экваториальном поясе Тихого океана, где рождается Эль-Ниньо, и 193 вокруг. Для каждой пары точек вычислили, как сильно их температура меняется синхронно за последний год, и свели всё в один общий показатель — что-то вроде громкости оркестра.

Когда музыканты начинают подстраиваться друг под друга, громкость растёт. Именно этот рост и ловит алгоритм — ему не нужно знать, кто именно сфальшивил первым.

С 2012 года этот метод работает в режиме реального прогноза, и его результаты впечатляют. Он правильно предсказал, что в 2012, 2013 и 2017 годах Эль-Ниньо не будет, а в 2014 и 2018 годах — будет. Всего за семь лет алгоритм выдал десять предупреждений, и восемь из них оказались верными. Это 80% успеха, при том что случайное угадывание такой последовательности дало бы лишь полтора процента. В сентябре 2019 года оркестр снова зазвучал в унисон, и алгоритм объявил: в 2020 году Эль-Ниньо вернётся.

Раньше прогнозисты могли лишь разводить руками: весной данные о температуре океана становятся ненадёжными, и модели слепнут. Новый подход обходит эту стену, потому что слушает не океан, а атмосферу над ним. Воздух над тёплой водой начинает вести себя согласованно задолго до того, как сам океан покажет явные признаки перегрева. Это как если бы вы слышали, как музыканты настраивают инструменты, ещё до того, как они заиграют.

Средний Эль-Ниньо добавляет к глобальной температуре примерно 0,1°C. Если событие 2020 года окажется сильным, 2021 год может стать самым жарким за всю историю наблюдений.

Практическая польза очевидна: фермеры успеют выбрать другие культуры, водные службы — перераспределить запасы, а спасатели — подготовиться к наводнениям. Но метод пока не умеет предсказывать силу будущего события, и учёные уже думают, как измерить громкость оркестра, а не только момент, когда он заиграл. Если это получится, человечество впервые сможет готовиться к капризам Тихого океана за год, а не за пару месяцев. И тогда, возможно, рёв стихии перестанет заставать нас врасплох.

Средний Эль-Ниньо повышает глобальную температурную аномалию примерно на 0,1°C. Если в конце 2020 года разовьётся сильное событие, 2021 год может стать новым рекордным по температуре, поскольку атмосферный отклик запаздывает на три месяца.

Идея предсказывать глобальные катастрофы по едва заметным признакам перекликается с романом Кима Стэнли Робинсона «Сорок знамений дождя», где учёные пытаются убедить политиков в надвигающемся климатическом сдвиге, опираясь на ранние индикаторы.

C_{ij}^{(t)}(-\tau) = \frac{\langle T_i(t) T_j(t-\tau)\rangle - \langle T_i(t)\rangle \langle T_j(t-\tau)\rangle}{\sqrt{\langle (T_i(t) - \langle T_i(t)\rangle)^2\rangle} \sqrt{\langle (T_j(t-\tau) - \langle T_j(t-\tau)\rangle)^2\rangle}}
Мера статистической связи между температурными рядами с учётом временного сдвига
S_{ij}(t) = \frac{\max_{\tau} |C_{ij}^{(t)}(\tau)| - \text{mean}_{\tau} |C_{ij}^{(t)}(\tau)|}{\text{std}_{\tau} |C_{ij}^{(t)}(\tau)|}
Отношение сигнал/шум для корреляционной функции, отражающее выраженность телесвязи
S(t) = \frac{1}{N} \sum_{i,j} S_{ij}(t)
Интегральный показатель кооперативности атмосферных температур в Тихом океане
Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо весенний барьер предсказуемости эль-ниньо многомерный индекс ЭНСО модель осциллятора с подзарядкой ла-нинья ERSST южная осцилляция модель Джина–Тиммермана вспышка западных ветров распространение экваториальных волн буйковые станции TAO/TRITON сезонный цикл NOAA CPC естественная изменчивость начало муссона NOAA PMEL TAO прогноз межгодовая изменчивость