Эль-Ниньо 2022: два метода, один прогноз ✎

Оригинал: "Climate network and complexity based El Niño forecast for 2022"
arXiv:2102.02192 · 2021-02-03 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Климатическая сеть и энтропия дают противоречивые предсказания: один метод говорит «нет», другой — «да, и сильное».

Контекст

Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНСО) остаётся главным источником межгодовой изменчивости глобального климата, способным вызывать засухи, наводнения и экономические потери в разных частях планеты. Существующие оперативные модели прогноза, как правило, не преодолевают «весенний барьер» предсказуемости, ограничивая горизонт примерно шестью месяцами. Работа Людешера, Менга и Фана продолжает линию исследований, начатую ранее в Потсдамском институте климатических исследований: метод климатических сетей уже показал способность предсказывать начало Эль-Ниньо за год, а метод энтропии — ещё и его силу. В отличие от соседних работ по машинному обучению и крупномасштабной структуре, данное исследование опирается на физику климатической системы и не требует подгонки параметров в прогностической фазе.

Методы

Первый метод строит климатическую сеть из 14 узлов в экваториальной зоне Тихого океана («бассейн Эль-Ниньо») и 193 узлов вне её. Узлы характеризуются приземной температурой воздуха, а сила связи между ними определяется кросс-корреляцией. Ключевая величина — средняя сила связи S(t): её рост в предшествующем году служит предвестником события. Прогноз срабатывает, когда S(t) пересекает порог Θ снизу вверх, а текущий индекс ONI ниже 0.5°C. Второй метод вычисляет системную энтропию выборки (SysSampEn) по 22 временным рядам температурных аномалий в регионе Niño3.4 с разрешением 5×5 градусов. Энтропия предыдущего года линейно связана с амплитудой будущего Эль-Ниньо; прогноз выдаётся, если энтропия выше порога 1.35, а декабрьский ONI ниже 0.5°C. Использованы данные реанализа ERA5 с 1984 по 2021 год, параметры метода фиксированы заранее и не подгоняются под результат.

Результаты

Сетевая модель в 2021 году не зафиксировала пересечения порога, поэтому предсказывает отсутствие Эль-Ниньо в 2022 году с вероятностью 90%. За период реальных прогнозов 2012–2021 годов метод дал 9 верных предсказаний из 10, что статистически значимо лучше случайного угадывания (p≈0.022). Энтропийный метод, напротив, выдал высокое значение SysSampEn=1.95 для 2021 года, что соответствует прогнозу амплитуды 1.90±0.23°C на 2022 год с вероятностью 69%. В исторических данных было 13 случаев с высокой энтропией и низким декабрьским ONI, из них в 9 случаях Эль-Ниньо действительно начался. Расхождение прогнозов авторы объясняют тем, что в 6 аналогичных ситуациях (1984–2021) сетевая модель чаще оказывалась права: в 4 из 6 случаев Эль-Ниньо не наступал.

Значение

Работа демонстрирует, что два независимых физических подхода могут давать противоположные прогнозы, и предлагает способ разрешения конфликта через исторические аналоги. В отличие от соседних исследований, использующих машинное обучение или статистические модели, здесь прогноз опирается на явные физические механизмы: кооперативное поведение атмосферных связей и сложность температурных рядов. Это позволяет не только предсказывать, но и интерпретировать результат, что важно для доверия к ранним предупреждениям. Статья также показывает ограничения каждого метода: сетевой подход не даёт амплитуду, а энтропийный чаще ошибается в случаях, когда сетевая модель молчит.

Развитие

Оба метода могут быть улучшены за счёт комбинирования: например, если сетевая модель не даёт сигнала, а энтропийная предсказывает сильное событие, можно вводить поправку на историческую надёжность каждого подхода в таких ситуациях. Возможно расширение климатической сети на другие регионы или включение дополнительных переменных (давление, ветер). Для энтропийного метода перспективно тестирование на более длинных рядах и оптимизация параметров для разных типов Эль-Ниньо (восточно-тихоокеанского и центрально-тихоокеанского).

Влияние

Прогнозы Эль-Ниньо напрямую влияют на сельское хозяйство, управление водными ресурсами, энергетику и страхование в регионах, чувствительных к ЭНСО: Юго-Восточная Азия, Австралия, Южная Америка, Индия. Раннее предупреждение за год позволяет заранее подготовиться к засухам или наводнениям.

Следующие шаги

Проверить фактические данные 2022 года и сопоставить их с обоими прогнозами. Провести ретроспективный анализ всех случаев расхождения методов для уточнения вероятностных оценок.

Ключевые проблемы

В климатологии остаётся нерешённой проблема «весеннего барьера» предсказуемости ЭНСО: большинство моделей теряют навык при прогнозе через весну. Данная работа показывает, что методы, основанные на сетевой кооперативности и энтропии, способны преодолевать этот барьер, но их надёжность всё ещё ниже желаемой. Открытым остаётся вопрос о физической природе предвестников: почему рост корреляций или сложности возникает именно за год до события и как он связан с динамикой океана.

В 2012 году, когда большинство прогностических центров ожидали Эль-Ниньо с вероятностью 75%, метод климатических сетей ещё в конце 2011 года предсказал его отсутствие — и оказался прав. Это был один из первых публичных успехов сетевого подхода.

SysSampEn(m,p,l_{\text{eff}},\gamma) = -\log\left(\frac{A}{B}\right)
Отрицательный логарифм отношения числа пар похожих подпоследовательностей длины m+p к числу пар длины m; мера сложности системы.

Ключевые числа

  • вероятность отсутствия Эль-Ниньо в 2022 по сетевому методу: 90%
  • вероятность начала Эль-Ниньо в 2022 по энтропийному методу: 69%
  • прогнозируемая амплитуда Эль-Ниньо в 2022: 1.90±0.23°C
  • порог SysSampEn для прогноза: 1.35
  • горизонт прогноза: около 1 года
Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо весенний барьер предсказуемости эль-ниньо ла-нинья многомерный индекс ЭНСО модель Джина–Тиммермана модель осциллятора с подзарядкой североатлантическая осцилляция ERSST межгодовая изменчивость NOAA CPC сезонный цикл буйковые станции TAO/TRITON естественная изменчивость распространение экваториальных волн климатическая сеть относительный они прогноз северное экваториальное противотечение