Эль-Ниньо в трёх масштабах: простая модель сложного явления
Контекст
ЭНСО — это центральная задача современной метеорологии. С 1980 по 2000 год аномалии температуры поверхности океана концентрировались в восточной части Тихого океана, а после 2000 года сместились к центру. Такое разнообразие Эль-Ниньо (восточный и центральный типы) меняет глобальные атмосферные связи и затрудняет прогноз. Существующие модели общей циркуляции часто смещают холодный язык к западу и плохо воспроизводят градиент температуры поверхности океана, что искажает обратную связь зональной адвекции. Рядом с этой работой в архиве лежат исследования предсказуемости Эль-Ниньо и роли случайности в эволюции, но данная статья стоит особняком: она предлагает минимальную модель, которая связывает разные временные масштабы для воспроизведения сложности.
Методы
За основу взята детерминированная линейная связанная система атмосферы, океана и температуры поверхности океана. После меридиональной проекции на параболические цилиндрические функции и пространственной дискретизации (128 точек в атмосфере, 56 в океане) получены две доминирующие линейные моды: восточно-тихоокеанская и центрально-тихоокеанская. К ним добавлены два стохастических процесса: один описывает внутрисезонные порывы ветра с зависящей от температуры поверхности океана амплитудой (мультипликативный шум), другой — декадную изменчивость фоновой циркуляции Уокера, которая модулирует силу зональной адвективной обратной связи. Введены сезонная синхронизация через синусоидальные функции и кубическое нелинейное демпфирование в центральной части Тихого океана для параметризации связи подповерхностной температуры и глубины термоклина. Модель численно интегрируется с шагом 0,5 суток, статистика рассчитана по 3500 модельным годам.
Результаты
Модель воспроизводит пространственно-временную эволюцию разных типов ЭНСО: восточные, центральные, смешанные события, экстремальные Эль-Ниньо, многолетние Ла-Нинья. Она почти идеально восстанавливает сильно не-гауссовы функции плотности вероятности аномалий температуры поверхности океана во всех трёх регионах Ниньо: положительная асимметрия и тяжёлый хвост в Ниньо 3, отрицательная асимметрия и лёгкий хвост в Ниньо 4. Сезонная синхронизация (пик зимой) и спектры мощности (2–4 года для Ниньо 4, 2–7 лет для Ниньо 3) также хорошо соответствуют наблюдениям. Композиты аномалий температуры поверхности океана для разных событий и двумерное распределение «сила–местоположение» максимумов почти идентичны данным. Частоты событий за 70 лет: восточных Эль-Ниньо 18,2 (наблюдения 14), центральных 14,7 (10), Ла-Нинья 26,1 (24), экстремальных Эль-Ниньо 3,1±2,3 (4).
Значение
Работа отличается от соседних исследований тем, что объединяет три временных масштаба в одной минимальной модели и воспроизводит не только средние характеристики, но и полные не-гауссовы распределения. Она показывает, что декадная изменчивость циркуляции Уокера управляет переключением между восточным и центральным режимами, а мультипликативный шум порождает экстремальные события. Это даёт теоретическую основу для понимания механизмов сложности ЭНСО и для построения более точных статистических прогнозов.
Развитие
Модель можно расширить, включив пространственно-распределённую внутрисезонную динамику (например, волны Мэддена–Джулиана) и дополнительные меридиональные базисные функции для учёта асимметрии. Перспективно объединение с концептуальными моделями для мультимодельной ассимиляции данных и прогноза разных типов Эль-Ниньо.
Влияние
Модель может улучшить прогнозы ЭНСО и связанных с ним климатических воздействий, включая засухи, наводнения и ураганы. Она также полезна для оценки влияния изменения климата на частоту экстремальных Эль-Ниньо.
Следующие шаги
Следующий шаг — разработка пространственно-распределённой стохастической модели внутрисезонных ветровых порывов и волн Мэддена–Джулиана, а также включение асимметричных меридиональных структур.
Ключевые проблемы
Связь с нерешёнными проблемами метеорологии: как предсказывать разнообразие ЭНСО (восточный/центральный типы) и как воспроизводить не-гауссову статистику температуры поверхности океана, которую часто упускают модели общей циркуляции.
Модель воспроизвела отсроченное супер-Эль-Ниньо 2014–2015 годов, включая характерную последовательность западных, восточных и снова западных порывов ветра, которая сначала запустила, затем подавила, а потом вновь запустила событие.
Ключевые числа
- Число лет моделирования: 3500
- Частота восточных Эль-Ниньо (модель/наблюдения): 18,2 / 14 за 70 лет
- Частота центральных Эль-Ниньо (модель/наблюдения): 14,7 / 10 за 70 лет
- Частота экстремальных Эль-Ниньо (модель/наблюдения): 3,1 ± 2,3 / 4 за 70 лет
- Шаг сетки: 312,5 км