Ключевые моды эволюции ЭНСО и ТДО: метод ESMD ✎

Оригинал: "Key Modes for Time-Space Evolutions of ENSO and PDO by ESMD Method"
· Jin-Liang Wang
arXiv:1912.02013 · 2019-11-25 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 4 мин
Новый метод разложения данных выявил общую полудекадную моду у Эль-Ниньо и Тихоокеанской декадной осцилляции.

Контекст

Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНСО) и Тихоокеанская декадная осцилляция (ТДО) десятилетиями изучаются как отдельные климатические явления, хотя их пространственные паттерны удивительно похожи. Соседние работы в архиве касаются квантовых флуктуаций, численных методов для уравнения Дирака и предсказания Эль-Ниньо, но данная статья стоит особняком: она напрямую атакует методологическую проблему, которая мешала увидеть связь между ЭНСО и ТДО. Классический метод эмпирических ортогональных функций (ЭОФ), предложенный Лоренцем в 1956 году, выдаёт статичные карты, не отражающие эволюцию во времени. Это породило спор: является ли ТДО независимым явлением или просто низкочастотным откликом на ЭНСО. Работа предлагает новый инструмент, способный разделить вклады разных временных масштабов и показать их пространственную динамику.

Методы

Автор использовал месячные данные температуры поверхности океана (ERSSTv4) с 1880 по 2015 год для двух репрезентативных точек: точка A на экваторе (0°, 130° з.д.) и точка B в северной части Тихого океана (42° с.ш., 130° з.д.). К каждому временному ряду был применён метод разложения по экстремальным точкам (ESMD), который выделяет внутренние моды с изменяющимися во времени периодами. Для проверки разложения сумма мод 2–5 в точке A сравнивалась с известным индексом Ниньо-3.4; корреляция составила 0.84. Затем была разработана интегрированная версия ESMD: для каждой точки сетки выполнялось разложение, число мод унифицировалось до пяти, после чего для фиксированных моментов времени строились пространственные карты каждой моды. Это позволило проследить, как тёплые и холодные аномалии перемещаются по Тихому океану.

Результаты

Разложение выявило шесть основных временных мод. Первая мода соответствует сезонному циклу с амплитудой 2.5°C на экваторе и 7.0°C в северной части Тихого океана. Остаток отражает глобальное потепление: за последние 50 лет рост составил 0.65°C в тропиках и 0.58°C во внетропической зоне. Для ЭНСО ключевыми оказались моды 2 и 3 со средними периодами 2.6 и 5.5 года (четвертьдекадная и полудекадная). Для ТДО важны моды 3, 4 и 5 с периодами 5.1, 11 и 22 года, а также мода 6 с периодом около 50 лет, но её амплитуда наименьшая. Полудекадная мода (около 5 лет) присутствует в обоих явлениях и, по-видимому, отвечает за «ЭНСО-подобную» изменчивость ТДО. Интегрированная версия ESMD для эпизода 1997–2000 годов показала, как тёплая аномалия Эль-Ниньо сменяется холодной Ла-Нинья, а в северной части Тихого океана одновременно происходит сдвиг от тёплого режима к холодному.

Значение

Работа отличается от соседних исследований тем, что предлагает не просто статистический анализ, а метод, дающий эволюционирующие во времени пространственные паттерны. Это первая попытка применить ESMD к данным температуры поверхности океана для разделения вкладов ЭНСО и ТДО. Если классический ЭОФ даёт статичные карты, которые невозможно сопоставить с динамикой, то интегрированная версия ESMD показывает, как аномалии перемещаются и меняют знак. Это позволяет по-новому взглянуть на давний спор о независимости ТДО: полудекадная мода оказывается общей, что поддерживает гипотезу о том, что ТДО частично является откликом на ЭНСО, но при этом имеет собственные декадные и междекадные компоненты.

Развитие

Метод ESMD может быть распространён на другие климатические индексы и регионы, а также на совместный анализ нескольких переменных, таких как температура, давление и осадки. Интегрированная версия открывает путь к построению динамических прогнозов, учитывающих эволюцию пространственных паттернов. В перспективе можно исследовать, как глобальное потепление влияет на амплитуды и периоды выделенных мод, особенно на полудекадную, связывающую ЭНСО и ТДО.

Влияние

Результаты важны для климатологии, океанографии и прогнозирования экстремальных погодных явлений, связанных с ЭНСО и ТДО. Метод может быть полезен экологам и специалистам по управлению природными ресурсами, поскольку ТДО влияет на продуктивность морских экосистем.

Следующие шаги

Следующим шагом может стать применение интегрированной версии ESMD ко всему Тихоокеанскому региону для объективного определения времён смены режимов ТДО. Также стоит проверить гипотезы о связи полудекадной моды с течениями Куросио и Оясио.

Ключевые проблемы

В климатологии остаётся нерешённым вопрос о том, является ли ТДО независимым явлением или лишь низкочастотным откликом на ЭНСО. Данная работа вносит вклад, показывая, что оба явления имеют общую полудекадную моду, но ТДО обладает дополнительными декадными и междекадными компонентами. Это согласуется с представлением о ТДО как о комбинации различных физических процессов, а не единой моды.

Метод ESMD был разработан автором ранее и запатентован в Китае в 2019 году как «Интегрированный метод ESMD для анализа пространственно-временных данных».

Ключевые числа

  • корреляция суммы мод 2-5 с индексом Ниньо-3.4: 0.84
  • средний период полудекадной моды: 5.5 года
  • рост температуры за 50 лет в тропиках: 0.65°C
  • рост температуры за 50 лет во внетропиках: 0.58°C
  • амплитуда сезонной моды на экваторе: 2.5°C
Понятия
тихоокеанская декадная осцилляция энсо южная осцилляция эль-ниньо весенний барьер предсказуемости модель Джина–Тиммермана индекс Эль-Ниньо модель осциллятора с подзарядкой ERSST буйковые станции TAO/TRITON многомерный индекс ЭНСО ла-нинья северное экваториальное противотечение смешанные моды колебаний распространение экваториальных волн эмпирическая ортогональная функция объём тёплой воды диполь индийского океана естественная изменчивость тропосферная двухлетняя осцилляция Ниньо 1.2