Нить, сплетённая неравномерно: связь Эль-Ниньо и муссона крепнет нелинейно ✎

Оригинал: "Nonlinear forced change and nonergodicity: The case of ENSO-Indian monsoon and global precipitation teleconnections"
arXiv:2009.02155 · 2020-09-04 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Климатические модели показывают, что связь между Эль-Ниньо и дождями индийского муссона усиливается, но не плавно, а рывками, как верёвка, которую плетут неравномерно.

В 1982 году тёплое течение у берегов Перу разрослось так сильно, что изменило погоду по всей планете. В Индии в тот год засуха, в Австралии пожары, а в Калифорнии ливни. Так мир узнал, что океан и небо связаны невидимыми нитями: явление в одном полушарии отзывается дождями в другом. Эти нити называют телеконнекциями, и одна из самых важных тянется от Эль-Ниньо к индийскому летнему муссону.

Эль-Ниньо — это аномальное потепление воды в экваториальной части Тихого океана. Оно возникает раз в несколько лет и длится от нескольких месяцев до полутора лет.

Связь между Эль-Ниньо и муссоном давно известна: когда океан теплеет, дожди в Индии обычно слабеют. Но меняется ли эта связь со временем? Чтобы ответить, учёные запустили одну и ту же климатическую модель 63 раза с чуть разными начальными условиями. Получился ансамбль — как 63 параллельных мира, где климат развивается по одним законам, но с разной случайностью. Если во всех мирах связь усиливается одинаково, значит, это не случайность, а закономерность.

И вот что выяснилось: связь действительно усиливается. И в прошлом веке, и в будущем при сильном потеплении. Но главный сюрприз не в этом. Усиление происходит не за счёт того, что Эль-Ниньо становится мощнее. Наоборот, его изменчивость может даже снижаться. Просто сам муссон начинает реагировать на Эль-Ниньо острее: на каждый градус потепления океана приходится всё большее изменение осадков. Как если бы верёвка, связывающая океан и небо, становилась прочнее, но плелась неравномерно — где-то толще, где-то тоньше.

Неэргодичность означает, что среднее по времени не совпадает со средним по множеству миров. Для климата это значит: то, что мы видим в одном длинном ряду наблюдений, может не отражать того, что произойдёт в среднем по всем возможным вариантам будущего.

Учёные проверили, можно ли описать усиление связи простой линейной формулой. Оказалось, нельзя. Связь крепнет рывками, и в разные десятилетия скорость усиления разная. Это как если бы вы измеряли прочность верёвки в разных местах и получали разные числа. Такое поведение называется неэргодичным, и оно означает, что прогнозы, основанные только на прошлых наблюдениях, могут ошибаться.

Эта работа — первая, где неэргодичность телеконнекций проверена на большом ансамбле моделей. Результаты важны для прогнозирования муссона: если связь усиливается нелинейно, то модели, настроенные на старые данные, могут недооценивать будущие засухи или наводнения. А от точности таких прогнозов зависит, сколько риса соберут в Индии и сколько людей пострадает от стихии. Нить, сплетённая неравномерно, требует более внимательного рассмотрения.

Тест неэргодичности показал, что даже при линейном изменении корреляции во времени могут возникать смещения, если меняются средние значения или стандартные отклонения. В данном случае эти тривиальные вклады оказались незначимыми, что подтверждает истинную нелинейность вынужденного отклика.

r = \frac{1}{\sqrt{1 + (\sigma_\xi / a \sigma_\Phi)^2}}
Формула показывает, что усиление корреляции может быть вызвано ростом изменчивости ЭНЮК, ростом коэффициента регрессии или уменьшением шума.
a = r \frac{\sigma_\Psi}{\sigma_\Phi}
Позволяет оценить коэффициент регрессии, зная корреляцию и стандартные отклонения переменных.
v = \sum_{t=1}^{T} \sum_{n=1}^{N} (\hat{z}_{\tau,t,n} - \hat{z}_t)^2
Сумма квадратов разностей между временными и ансамблевыми z-преобразованиями корреляций; большие значения указывают на неэргодичность.
Понятия
энсо межгодовая изменчивость телеконнекция весенний барьер предсказуемости многомерный индекс ЭНСО модель Джина–Тиммермана южная осцилляция эль-ниньо индекс Эль-Ниньо буйковые станции TAO/TRITON начало муссона муссон естественная изменчивость сезонный форсинг южная осцилляция ла-нинья модель осциллятора с подзарядкой связь океана и атмосферы относительный они диполь индийского океана ансамблевый прогноз