Эль-Ниньо — Южное колебание (ЭНСО) является сильнейшим естественным фактором межгодовой изменчивости глобального климата. Оно вызывает экстремальные погодные условия в разных регионах мира: засухи, наводнения, аномальную жару. Существующие оперативные прогнозы имеют ограниченную заблаговременность, обычно не преодолевают так называемый «весенний барьер» и дают надёжное предупреждение лишь за 6 месяцев. Вокруг данной темы в архиве лежат работы о прогнозе Эль-Ниньо за полтора года, о космической погоде по сезонам, о старых летописях погоды, о климатических сигналах-предвестниках, о нейтринных осцилляциях и солнечных циклах. Данная работа стоит на отшибе, так как она сфокусирована на двух конкретных методах прогноза Эль-Ниньо с заблаговременностью около года, что заметно больше, чем у большинства соседей.
Авторы использовали два независимых подхода. Первый основан на анализе климатической сети: 14 узлов в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана связаны со 193 узлами вне этой области. Сила связей определяется кросс-корреляцией аномалий приземной температуры воздуха. Средняя сила связей S(t) растёт в год перед началом Эль-Ниньо и падает с его наступлением. Порог Θ был зафиксирован на обучающей фазе 1950–1980 гг. Второй подход использует энтропию выборки системы (SysSampEn) — меру сложности (беспорядка) временных рядов температурных аномалий в области Niño3.4. SysSampEn вычисляется по 22 узлам сетки 5°×5° на основе ежедневных данных приземной температуры (1000 гПа) из реанализа ERA5. Значение SysSampEn за предыдущий год сильно коррелирует (r=0.90) с магнитудой будущего Эль-Ниньо, что позволяет строить линейную регрессию для прогноза силы события.
Оба метода предсказали начало Эль-Ниньо в 2023 году. В прошлом было 7 случаев, когда оба подхода давали согласованный прогноз начала, и все 7 оказались верными. Применяя байесовскую оценку с правилом Лапласа, авторы получили вероятность начала Эль-Ниньо (7+1)/(7+2) ≈ 89%. Метод климатической сети дал сигнал тревоги между 24 мая и 7 июня 2022 года, когда средняя сила связей пересекла порог снизу вверх, а последнее значение индекса ONI было ниже 0.5°C (-1.1°C за март-апрель-май). В более строгой версии алгоритма, требующей, чтобы ONI оставался ниже 0.5°C до конца года, условие также выполнено, так как ONI был отрицательным весь 2022 год. Метод SysSampEn дал значение 1.78 для 2022 года, что выше порога 1.235, и прогнозируемую магнитуду Эль-Ниньо 1.49±0.37°C. Коэффициент корреляции между SysSampEn предыдущего года и максимальной магнитудой Эль-Ниньо составляет r=0.82, RMSE прогноза ±0.37°C. Ожидается, что Эль-Ниньо повысит глобальную температуру примерно на 0.2°C, что может сделать 2024 год самым жарким за историю наблюдений. Вероятность временного превышения порога +1.5°C к концу 2024 года оценивается в 21.1%.
Работа отличается от соседей по архиву тем, что объединяет два независимых метода прогноза Эль-Ниньо с заблаговременностью около года, тогда как большинство соседних работ либо рассматривают более короткие сроки, либо используют один метод. Это первая проверка согласованности двух подходов на одном событии, что повышает надёжность прогноза. Кроме того, работа даёт количественную оценку магнитуды будущего Эль-Ниньо, чего не делают многие другие статистические модели. Результаты подчёркивают возможность преодоления «весеннего барьера» и заблаговременного предупреждения о климатических рисках.
Тема может развиваться в направлении уточнения прогнозов магнитуды и типа Эль-Ниньо (центрально-тихоокеанский или восточно-тихоокеанский). Возможно включение дополнительных данных, таких как температура поверхности океана, солёность, ветер, для улучшения точности. Также перспективно применение методов машинного обучения для автоматической настройки порогов и параметров. В будущем можно ожидать создание оперативной системы раннего предупреждения, объединяющей несколько независимых индикаторов.
Результаты важны для климатологии, метеорологии, сельского хозяйства, управления водными ресурсами и планирования мер по адаптации к экстремальным погодным явлениям.
Следующие шаги включают валидацию прогноза на новых данных, уточнение параметров моделей и разработку оперативного прототипа системы предупреждения.
Работа связана с нерешённой проблемой предсказуемости ЭНСО за пределами «весеннего барьера» и с задачей оценки магнитуды события, а не только его наступления. Также она затрагивает вопрос о связи между сложностью климатической системы и возникновением крупномасштабных аномалий.
За период 1981–2022 гг. климатическая сетевая модель дала 11 сигналов тревоги, из них 8 оказались верными, а в более строгой версии все 8 сигналов были верными.