Как нашли маятник в океане ✎

Оригинал: "Spectral analysis of climate dynamics with operator-theoretic approaches"
arXiv:2104.02902 · 2021-04-07 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Учёные нашли в хаосе океана скрытый маятник, который качается строго и предсказуемо, и теперь Эль-Ниньо можно предсказывать точнее.

Океан у берегов Перу то теплеет, то остывает, и вместе с ним лихорадит всю планету: дожди заливают пустыни, а тропические леса сохнут. Это Эль-Ниньо. Полвека его описывали одним числом — температурой воды в небольшом квадрате океана. Но число это прыгает, как пульс при аритмии, и понять по нему, что будет дальше, почти невозможно. Математики предложили иначе: не мерить температуру, а найти в океане скрытый маятник, который качается строго и предсказуемо.

Маятник этот не виден глазу, потому что он живёт не в самой воде, а в том, как вода меняется со временем. Учёные взяли данные о температуре океана за 50 лет и построили правила: если сегодня вода теплее обычного на градус, то через месяц она будет теплее на полградуса. Среди миллионов таких правил нашлись особые — те, которые повторяют сами себя. Эти особые правила и есть маятник: они описывают, как тепло расползается по океану, сохраняя свою форму, словно волна, бегущая по стадиону.

Собственная функция — это не температура в точке, а узор, который движется целиком. Если смотреть на него через равные промежутки времени, он поворачивается, как стрелка часов, не меняя очертаний.

Среди всех узоров нашёлся один с периодом около четырёх лет. Это и есть Эль-Ниньо, но не как хаотичный всплеск, а как ровное вращение. Когда учёные нанесли его на график, траектория вытянулась в почти идеальный круг, по которому точка движется с постоянной скоростью. Для сравнения: традиционный индекс Эль-Ниньо на том же графике мечется, как пьяный, и круг из него не складывается. Новый метод сам выпрямил цикл, без всяких фильтров и подгонок.

Выпрямленный круг позволил увидеть то, что раньше тонуло в шуме. Оказалось, что Ла-Нинья, холодная сестра Эль-Ниньо, наступает не в середине цикла, а раньше. Аномальные западные ветры, которые запускают Эль-Ниньо, появляются строго на стадии зарождения, а не как попало. Даже события с двойным пиком, когда Эль-Ниньо как будто спотыкается и начинается заново, в новых координатах выглядят не сбоем, а частью единого вращения.

Раньше казалось, что Эль-Ниньо — это хаос, в котором лишь иногда проглядывает ритм. Теперь видно обратное: внутри хаоса сидит почти идеальный маятник, а хаос — это лишь дрожание стрелки. Метод, который его нашёл, не привязан к океану. Так же можно выпрямить другие климатические колебания — например, пульс дождей над Индийским океаном, который повторяется каждые 40–50 дней. Если научиться предсказывать фазу маятника, можно будет за полгода говорить, каким будет лето в Австралии или зима в Калифорнии.

Для реанализа ERSSTv4 собственная функция Эль-Ниньо остаётся почти идеально циклической даже при наличии тренда потепления: тренд выделяется отдельным собственным значением с нулевой частотой, не искажая цикл.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» климатологи пытаются предсказать резкие изменения климата. Операторный подход, выпрямляющий циклы, напоминает попытку найти скрытый порядок в хаосе, который герои ищут в данных.

Понятия
энсо южная осцилляция эль-ниньо естественная изменчивость модель Джина–Тиммермана сезонный цикл многомерный индекс ЭНСО межгодовая изменчивость климатическая модель весенний барьер предсказуемости индекс Эль-Ниньо климат североатлантическая осцилляция буйковые станции TAO/TRITON смешанные моды колебаний связь океана и атмосферы сезонный форсинг динамические системы распространение экваториальных волн стохастическая динамическая система ERSST