Как Эль-Ниньо растягивает грозовые фронты

Оригинал: "Space-time extremes of severe US thunderstorm environments"
arXiv:2201.05102 · 2022-01-13 · CC BY 4.0 · 2 мин
Тёплое течение у берегов Перу заставляет суровые грозы в США охватывать сразу несколько штатов.

Грозовой фронт похож на резиновую ленту, натянутую между двумя пальцами. Чем сильнее тянут, тем шире полоса, по которой бьют молнии. Метеорологи давно умеют измерять силу грозы в отдельной точке, но до сих пор не понимали, почему иногда суровая погода сжимается в компактное пятно, а иногда захватывает половину континента.

В новой работе учёные взяли данные о трёх показателях грозовой среды за 37 лет: CAPE (доступная конвективная потенциальная энергия, то есть запас тепла и влаги, который поднимает воздух вверх), SRH (спиральность относительно шторма, то есть способность ветра закручивать восходящие потоки) и их произведение PROD. Для каждой точки сетки на территории США они отобрали месячные максимумы и построили модель, которая описывает, как экстремальные значения в разных местах связаны друг с другом.

Параметр дальнодействия, или range, показывает, на каком расстоянии грозовые очаги ещё «чувствуют» друг друга. Маленький range — гроза локальна, как летний ливень над одним городом. Большой range — атмосферные условия синхронны на площади в несколько штатов.

Оказалось, что летом лента сжимается: экстремумы становятся более локализованными во всех регионах. Зимой и весной она растягивается. Но самое интересное происходит, когда в Тихом океане разогревается Эль-Ниньо. Тогда в северных штатах range для SRH вырастает на 20–30%, а для PROD на северо-востоке может увеличиться почти вдвое. Это значит, что один и тот же тип грозовой погоды накрывает гораздо большую территорию.

Раньше специалисты по рискам считали, что пространственная связность экстремумов постоянна. Теперь ясно, что она дышит: сжимается летом, растягивается зимой и дополнительно деформируется под действием океанских течений. Такой подход можно перенести на наводнения, лесные пожары или финансовые кризисы — везде, где редкие события в разных точках связаны невидимыми нитями.

Если знать фазу Эль-Ниньо заранее, страховые компании и службы спасения могут готовиться к тому, что суровая гроза накроет не один округ, а целый регион. Резиновая лента погоды перестаёт быть загадкой, и теперь её натяжение можно измерить.

Параметр дальнодействия для PROD в северо-восточном регионе США при сильном Эль-Ниньо может увеличиваться почти вдвое по сравнению с нейтральной фазой, что означает, что грозовые системы могут охватывать площадь, сравнимую с территорией нескольких штатов.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» климатические модели предсказывают экстремальные погодные явления, и точность таких предсказаний зависит от учёта глобальных осцилляций, подобных Эль-Ниньо.

\gamma(\mathbf{s}) = (\|\mathbf{A}\mathbf{s}\|/\rho)^\alpha
Определяет пространственную корреляцию: чем больше расстояние, тем слабее зависимость; параметры ρ (range), α (smoothness) и матрица A (анизотропия) управляют формой.
\theta(\mathbf{s}_1,\mathbf{s}_2) = 2\Phi\left(\sqrt{\gamma(\mathbf{s}_2-\mathbf{s}_1)/2}\right)
Связывает вероятность одновременного превышения порога с семивариограммой; значение 2 означает независимость, 1 — полную зависимость.
CLIC_b = \frac{1}{B}\sum_{b=1}^B \left[ 2\log L_C\left(\hat{\psi}(\hat{\lambda}); t_{\hat{\lambda}}(\mathbf{Y})\right) - 4\log L_C\left(\hat{\psi}_b^*(\hat{\lambda}_b^*); t_{\hat{\lambda}}(\mathbf{Y})\right) \right]
Бутстреп-оценка нестандартизированной композитной дивергенции Кульбака–Лейблера; чем меньше значение, тем лучше модель.
Понятия
энсо весенний барьер предсказуемости модель Джина–Тиммермана многомерный индекс ЭНСО южная осцилляция эль-ниньо индекс Эль-Ниньо ла-нинья южная осцилляция вспышка западных ветров модель осциллятора с подзарядкой космическая погода NOAA CPC тропический циклон естественная изменчивость буйковые станции TAO/TRITON ERSST сезонный цикл сезонный форсинг прогноз межгодовая изменчивость