Вкусы Эль-Ниньо: палитра океана вместо двух красок ✛

Оригинал: "On the archetypal `flavours', indices and teleconnections of ENSO revealed by global sea surface temperatures"
arXiv:2406.08694 · 2024-06-12 · CC BY 4.0 · 2 мин
Архетипический анализ выделяет из спутниковых данных не два, а целый спектр типов Эль-Ниньо и Ла-Нинья, включая их зарождение и затухание.

Художник, пишущий океан, не ограничивается двумя красками: тёплой и холодной. Так и климатологи, изучающие Эль-Ниньо, всё чаще говорят о целой палитре оттенков. Эль-Ниньо — это тёплое течение у берегов Перу, которое раз в несколько лет меняет погоду по всей планете. Его противоположность, Ла-Нинья, приносит холод. Но между этими крайностями есть промежуточные состояния, и каждое влияет на дожди и засухи по-своему.

Традиционные индексы, построенные на температуре поверхности океана, часто не улавливают всего разнообразия. За последние десятилетия выделили несколько типов явления: канонический восточно-тихоокеанский, центрально-тихоокеанский, Модоки и другие. Споры о том, сколько же на самом деле существует «вкусов» Эль-Ниньо, не утихают.

Авторы работы применили метод, который ищет не средние состояния, а самые крайние — как если бы художник сначала находил чистые, несмешанные краски на палитре. Эти крайние состояния называются архетипами. Взяв ежемесячные карты температуры поверхности океана за 41 год, исследователи вычли глобальное потепление, чтобы оно не мешало, и попросили алгоритм найти четыре самые характерные конфигурации. Получились знакомые типы: центрально-тихоокеанские и восточно-тихоокеанские варианты Эль-Ниньо и Ла-Нинья.

Когда число архетипов увеличили до восьми, палитра стала богаче. Проявились оттенки, соответствующие зарождению и затуханию явления. Например, три крупных восточно-тихоокеанских Эль-Ниньо (1982–1983, 1997–1998, 2015–2016) имели разные последовательности фаз до и после события. Одно из них, событие 1982–1983 годов, было настолько необычным, что поначалу его не заметили традиционные системы мониторинга: тёплые аномалии возникли не там, где ожидалось.

Интересно, что использование аномалий уровня моря вместо температуры поверхности даёт более чёткое разделение фаз. Когда температура не позволяла уверенно классифицировать состояние, уровень моря показывал выраженный архетип.

Метод не навязывает жёстких границ между типами. Для каждого момента времени вычисляется вероятность принадлежности к каждому архетипу. Это позволяет следить за тем, насколько текущее состояние чистое или смешанное. Оперативные центры могут использовать такой подход для мониторинга и дополнения сезонных прогнозов информацией о типе Эль-Ниньо. Художник, наконец, получил не две краски, а целую палитру, чтобы точнее писать картину климата.

Одно из крупнейших восточно-тихоокеанских Эль-Ниньо 1982–1983 годов было настолько необычным, что поначалу его не заметили традиционные системы мониторинга, поскольку тёплые аномалии возникли не там, где ожидалось.

\arg\min_{C,S} \|X - XCS\|_F^2
Ищутся такие матрицы C и S с неотрицательными элементами и суммами строк, равными единице, чтобы произведение XCS наилучшим образом приближало данные X.
\Delta_{i_{max}}^p(t) = 1 - \frac{1}{p-1} \left( \frac{1}{S_{i_{max} t}} - 1 \right)
Балл равен 1, если в данный момент времени один архетип имеет вероятность 1 (чистое состояние), и 0, если все p архетипов равновероятны (нейтральное или смешанное состояние).
F^S_{s \times p} = \frac{\sum_t F_{st} S^T_{pt}}{\sum_t S_{pt}}
Средневзвешенное по времени значение поля F, где веса — вероятности принадлежности каждого момента времени к архетипу p, из матрицы S.
Учёные
Emile ClapeyronDavid CharbonneauR. A. RossiterD. B. McLaughlinMichel MayorDidier Queloz
Понятия
энсо индекс Эль-Ниньо модель Джина–Тиммермана эль-ниньо многомерный индекс ЭНСО ла-нинья ERSST относительный они южная осцилляция NOAA CPC телеконнекция NOAA PMEL TAO буйковые станции TAO/TRITON весенний барьер предсказуемости модель Зебиака–Кейна распространение экваториальных волн OISST v2.1 тихоокеанская декадная осцилляция аномалия температуры поверхности моря спутниковый рекорд UAH