Как увидеть климат за пределами средних значений

Оригинал: "Rediscover Climate Change during Global Warming Slowdown via Wasserstein Stability Analysis"
· Zhiang Xie, Dongwei Chen, Puxi Li
arXiv:2303.18067 · 2023-03-29 · CC BY 4.0 · 4 мин
Новый метод сравнивает не средние температуры, а целые распределения погоды и находит сигналы, которые тренды пропускают.

Контекст

Климатологическая наука десятилетиями опиралась на средние значения: глобальная средняя температура, региональные тренды, аномалии. Это удобно, но среднее скрывает детали. В первое десятилетие XXI века потепление замедлилось, и средние тренды почти не показывали изменений, хотя в системе происходили сдвиги: менялись экстремумы, перестраивались тихоокеанские течения. Рядом с этой работой в архиве лежат исследования, которые тоже ищут сигналы за пределами среднего: одни отделяют погодный шум от климатического сигнала, другие смотрят, как два фактора управляют погодой на одинокой планете, третьи ловят ранние признаки климатических сдвигов. Все они движутся в одном направлении: от «что в среднем» к «что происходит с распределением». Данная работа делает следующий шаг и предлагает инструмент, который напрямую измеряет, насколько сильно изменилась вся форма распределения, а не только его центр.

Методы

Авторы взяли данные о температуре воздуха у поверхности из реанализа ERA5 с 1998 по 2012 год, пересчитали их на сетку 2,5 на 2,5 градуса и разделили период на две половины: 1998–2005 и 2005–2012. Для каждой точки планеты они построили распределения вероятностей температуры в эти два периода. Затем применили расстояние Вассерштейна (оно же «расстояние землекопа»): это метрика, которая показывает, сколько «работы» нужно, чтобы превратить одно распределение в другое. Чтобы понять, значимо ли отличие, использовали тест Монте-Карло: к исходным данным 500 раз добавляли белый шум и смотрели, попадает ли реальное расстояние в доверительный интервал шумовых расстояний. Если не попадает, значит, распределение изменилось не из-за случайности. Такой подход назвали Wasserstein Stability Analysis (WSA).

Результаты

WSA нашёл два больших значимых сигнала. Первый — в центрально-восточной части Тихого океана: там расстояние Вассерштейна между распределениями 1998–2005 и 2005–2012 годов составило от 0,08 до 0,24, хотя линейный тренд температуры в этом регионе отсутствовал. Разбор распределений показал, что горячие экстремумы (выше двух стандартных отклонений, около 27 °C) стали случаться реже более чем на 10 дней в год, а холодные экстремумы (ниже минус двух стандартных отклонений, около 19 °C) — чаще на столько же. Это похоже на сдвиг к условиям Ла-Нинья, и согласуется с прежними выводами о том, что в период замедления потепления Тихий океан находился в отрицательной фазе Тихоокеанской декадной осцилляции. Второй сигнал — в Баренцевом и Карском морях. Там WSA показал значимое изменение распределения в точке B (66° в.д., 79° с.ш.), где средняя температура выросла с −10,2 °C до −6,5 °C, а стандартное отклонение уменьшилось. Причина — таяние морского льда: лёд раньше жёстко ограничивал максимальную температуру воздуха около точки замерзания, и распределение имело резкий пик. Когда льда стало меньше, ограничение ослабло, и пик сгладился. В точке C (131° в.д., 79° с.ш.), где ледяной покров сократился меньше, изменение распределения оказалось слабее и не прошло порог значимости.

Значение

Эта работа отличается от соседних исследований тем, что предлагает не ещё один способ усреднения или фильтрации, а прямой количественный тест на изменение всей формы распределения. Соседние работы часто ищут сигнал в средних значениях или в отдельных экстремумах; здесь же мерой служит расстояние между распределениями целиком, что позволяет улавливать сдвиги, которые не видны ни в среднем, ни в дисперсии по отдельности. Для климатологии это означает, что появляется инструмент для обнаружения изменений в режиме погоды, а не только в её среднем фоне. Кроме того, метод выявил физическое ограничение, которое обычно не обсуждают в контексте трендов: морской лёд работает как «потолок» для температуры воздуха, и его исчезновение меняет не только среднее, но и саму структуру изменчивости.

Развитие

Сейчас WSA умеет только говорить, что распределение изменилось, но не показывает, в какую сторону: стало больше жары или холода. Это ограничение авторы называют главной задачей на будущее. Кроме того, метод пока применялся только к температуре воздуха у поверхности, но его можно использовать для осадков, ветра, давления и других переменных. Если удастся добавить направленность изменения, WSA может стать стандартным инструментом для мониторинга климатических сдвигов в реальном времени.

Влияние

Метод может быть полезен для оценки климатических моделей: если модель не воспроизводит изменение распределения, которое видит WSA, это сигнал о систематической ошибке. Также он пригодится в анализе экстремальных явлений и в исследованиях морского льда, где ограничение температуры играет ключевую роль.

Следующие шаги

Ближайшие шаги включают разработку способа определять направление изменения распределения и применение WSA к другим климатическим переменным. Также авторы планируют детальнее разобрать разрозненные сигналы в Индийском океане и Южной Америке, которые остались за рамками этой статьи.

Ключевые проблемы

В климатологии остаётся открытым вопрос, как отделить внутреннюю изменчивость климатической системы от внешнего воздействия. Период замедления потепления показал, что средние тренды могут вводить в заблуждение, и нужны методы, чувствительные к перестройке распределений. WSA напрямую отвечает на этот вызов: он находит изменения, которые не сводятся к сдвигу среднего, и тем самым помогает увидеть, какие процессы реально меняют климат, а какие лишь шумят.

Расстояние Вассерштейна иногда называют «расстоянием землекопа», потому что оно показывает, сколько минимальной работы нужно, чтобы переместить кучу земли из одной формы в другую. В климате «куча земли» — это распределение температур, а «работа» — количество дней, на которые сдвинулись экстремумы.

Ключевые числа

  • расстояние Вассерштейна в Тихом океане: 0,08–0,24
  • изменение числа дней с горячими экстремумами: более 10 дней в год
  • изменение числа дней с холодными экстремумами: более 10 дней в год
  • повышение средней температуры в точке B: с −10,2 °C до −6,5 °C
  • число итераций Монте-Карло: 500
Понятия
глобальное потепление NOAA CPC реанализ климат ла-нинья температура поверхности моря климатическая модель муссон южная осцилляция ERSST аномалия осадков энсо затвердевание вспышка западных ветров анализ главных компонент аномалия температуры поверхности моря тихоокеанская декадная осцилляция спутниковый рекорд UAH относительный они весенний барьер предсказуемости