Два оркестра в одной партитуре: как Эль-Ниньо расщепляет климат средних широт ✎

Оригинал: "Extratropical low-frequency variability with ENSO forcing: A reduced-order coupled model study"
arXiv:2103.00517 · 2021-02-28 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 3 мин
Одно и то же тропическое воздействие порождает два сосуществующих климатических режима в средних широтах, и их предсказуемость радикально различается.

Два оркестра играют по одной партитуре, но в разных тональностях. Партитура — это тёплое течение Эль-Ниньо, которое раз в несколько лет нагревает тропическую часть Тихого океана. Тональность — это режим, в котором атмосфера средних широт отвечает на этот нагрев. Один оркестр играет ровно и предсказуемо, другой то и дело сбивается, но в его игре слышны мощные низкие ноты, которых нет у первого.

Климатологи построили упрощённую модель из двух частей. Тропическая часть описывает сам Эль-Ниньо тремя уравнениями, а внетропическая — атмосферу и океан средних широт тридцатью шестью переменными. Тропики действуют на средние широты как дирижёр: тёплое течение усиливает западный ветер, и эта команда передаётся в уравнения атмосферы. Модель прогоняли сотни раз из разных начальных состояний, каждый раз на пятнадцать тысяч лет вперёд, и смотрели, к чему система притягивается.

Притягивающее множество здесь не стоит на месте, потому что время входит в уравнения явно. Такое множество называют зависящим от времени аттрактором, или pullback-аттрактором. Система стартует в далёком прошлом и постепенно притягивается к этому движущемуся множеству, как пылинка к вращающемуся вентилятору.

Оказалось, что при одном и том же воздействии существуют два таких аттрактора. Первый, с показателем Ляпунова около 0.25 в день, почти не имеет собственных медленных колебаний: его изменчивость привязана к ритму Эль-Ниньо. Второй, с показателем около 0.1 в день, выдаёт выраженные колебания с периодом около 58 лет. Разница в предсказуемости двукратная: второй режим можно прогнозировать вдвое дальше, чем первый. Когда воздействие хаотично и нерегулярно, второй аттрактор становится метастабильным: даже крошечное возмущение, в сто миллионов раз меньше основного сигнала, может столкнуть систему в первый режим. Обратный переход требует возмущения в тысячу раз сильнее.

В океанических переменных второй режим выглядит как три жгута, сдвинутых по фазе на 35 лет. Каждый жгут — это множество траекторий, идущих почти синхронно, хотя каждая из них хаотична. Словно три колонны солдат маршируют в ногу, но внутри каждой колонны шаг немного сбивается.

Этот результат меняет взгляд на климатические прогнозы. Стандартный подход — осреднить множество расчётов, чтобы получить наиболее вероятный сценарий. Но если система может перескакивать между двумя режимами с разной статистикой, среднее арифметическое не описывает ни одного из них. Это как если бы вы усреднили звучание двух оркестров, играющих в разных тональностях: получилась бы какофония, не похожая ни на одну из партий. Отсюда и практический вывод: для корректной оценки неопределённости нужны очень длинные расчёты и большое число членов ансамбля, иначе можно просто не заметить второй режим.

Два оркестра играют по одной партитуре, и теперь мы знаем, что у них разные тональности. Раньше казалось, что климат средних широт под влиянием Эль-Ниньо имеет один режим, просто с шумом. Теперь видно, что режимов два, и они сосуществуют, а переходы между ними редки, но возможны. Это знание не даёт готового прогноза, но предостерегает от наивного осреднения и указывает, куда смотреть дальше.

В хаотическом режиме океанические траектории PBA2 выстраиваются в три чётких жгута, сдвинутых по фазе на 35 лет. Это напоминает строй солдат, марширующих в ногу, хотя каждый из них движется по своей хаотической траектории.

Идея множественных климатических режимов, между которыми система может перескакивать, перекликается с романом Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя», где климатологи сталкиваются с неожиданными и резкими сдвигами климатической системы, которые не укладываются в линейные прогнозы.

Понятия
энсо весенний барьер предсказуемости южная осцилляция эль-ниньо буйковые станции TAO/TRITON многомерный индекс ЭНСО модель Джина–Тиммермана индекс Эль-Ниньо южная осцилляция модель осциллятора с подзарядкой сезонный форсинг ла-нинья распространение экваториальных волн естественная изменчивость смешанные моды колебаний вспышка западных ветров северное экваториальное противотечение межгодовая изменчивость связь океана и атмосферы обратная связь Бьеркнеса сезонный цикл