Как услышать паузы в разговоре океана и суши

Оригинал: "Lagged teleconnections of climate variables identified via complex rotated Maximum Covariance Analysis"
arXiv:2105.04618 · 2021-05-10 · CC BY 4.0 · 1 мин
Учёные нашли способ замечать, что дожди в одном месте откликаются на тепло океана только через несколько месяцев.

В 1960 году метеоролог на станции в Перу записывает температуру воды, а фермер в Индии смотрит на небо в ожидании муссона. Между этими двумя событиями нет прямой связи, но через несколько месяцев одно отзовётся в другом. Климат Земли похож на разговор, в котором собеседники отвечают не сразу, а с паузой: океан нагревается, и лишь спустя месяцы на другом континенте меняется режим дождей. Старые методы слышали только одновременные реплики, поэтому половина разговора оставалась неразборчивой.

Новый метод превращает каждый ряд наблюдений в специальный сигнал, который сдвигает колебания на четверть периода. Это позволяет заметить, что максимум тепла в одном регионе наступает раньше, чем пик дождей в другом.

Учёные взяли данные о температуре поверхности океана и осадках на суше за 1960–2019 годы, сгладили их и превратили в комплексные сигналы. Затем нашли общие паттерны и повернули их так, чтобы каждый паттерн стал чётким и понятным. Получилось шесть основных мод: сезонный цикл (он объясняет 62.7% всей связи), Эль-Ниньо, глобальное потепление, Тихоокеанская декадная осцилляция, Эль-Ниньо Модоки и Атлантическая меридиональная мода. Например, сезонный максимум температуры в северной части Тихого океана наступает на 196 дней позже, чем в южной, а в Индийском океане дожди отстают от тепла на 81 день.

Теперь разговор океана и суши можно слушать целиком, со всеми паузами. Раньше каждую такую связь искали по отдельности и заранее предполагали, какая задержка важна. Новый метод делает всё одной процедурой и не требует удалять тренды, что важно при меняющемся климате. Фермер в Индии и метеоролог в Перу связаны невидимой нитью задержанного сигнала, и теперь мы учимся различать её среди шума.

Сезонный максимум температуры в северной части Тихого океана наступает на 196 дней позже, чем в южной, то есть почти ровно через полгода. Это означает, что два полушария океана работают в противофазе, как качели с очень медленным периодом.

Идея задержанных телесвязей напоминает «эффект бабочки» из рассказа Рэя Брэдбери «И грянул гром»: малое событие в одном месте через цепочку связей приводит к крупным последствиям в другом. Только здесь связи не хаотические, а статистически устойчивые.

\hat{X}_s = X_s + i H(X_s)
Каждый временной ряд превращается в комплексный, где мнимая часть сдвинута по фазе на четверть периода
A_s = (V_s \odot \bar{V}_s)^{\odot 1/2}
Показывает, в каких регионах данная мода проявляется сильнее всего
\Theta_s = \arctan2(\mathrm{Im}(V_s), \mathrm{Re}(V_s))
Даёт относительный временной сдвиг в каждой точке; для узкополосных сигналов переводится в задержку
Понятия
телеконнекция реанализ атлантическая мультидекадная осцилляция мультифрактальный анализ флуктуаций с удалением тренда связь океана и атмосферы декадная изменчивость ERA5 климатическая сеть североатлантическая осцилляция климат морская волна тепла ковариационная матрица связанная модель общей циркуляции сезонный форсинг сезонный цикл эмпирическая ортогональная функция смешанные моды колебаний годас естественная изменчивость анализ главных компонент