Погодные режимы Северной Америки: оркестр без дирижёра ✛

Оригинал: "An Earth-System-Oriented View of the S2S Predictability of North American Weather Regimes"
arXiv:2409.08174 · 2024-09-12 · CC BY 4.0 · 2 мин
Машинное обучение раскрыло, как атмосфера, океан и суша по очереди отдают предсказательную силу погодным режимам на срок от недели до двух месяцев.

Представьте оркестр, который играет без дирижёра. Каждая группа инструментов вступает в свой момент: сначала духовые задают тему, потом подключаются струнные, а иногда солирует неожиданный ударник. Так и погода над Северной Америкой: атмосфера, океан и суша по очереди берут на себя главную партию, когда речь заходит о предсказании крупномасштабных погодных режимов на срок от недели до двух месяцев.

Погодные режимы — это устойчивые картины атмосферной циркуляции, которые определяют, будет ли зима аномально тёплой или лето засушливым. Их четыре: Тихоокеанская ложбина, Тихоокеанский гребень, Гренландский максимум и Аляскинский гребень. Плюс бывают дни, когда ни один режим не выражен — их назвали «Нет режима». Чтобы понять, кто из «музыкантов» важнее на разных сроках прогноза, учёные обучили сотни моделей машинного обучения, каждая из которых получала на вход только одну переменную: например, температуру поверхности океана или влажность почвы.

В первые две недели лидирует атмосфера. Её хаотичные вихри ещё помнят начальное состояние, поэтому прогноз опирается на ветры и давление. Но дальше вступают медленные процессы: океан копит тепло на глубине, а почва удерживает влагу месяцами. К восьмой неделе все три компонента вносят сравнимый вклад.

Сезон меняет расстановку сил. Зимой и летом предсказуемость выше, чем весной и осенью, потому что атмосфера чаще застревает в одном из режимов. Для Тихоокеанской ложбины осенью и зимой ключевой вклад вносит океан, особенно сигналы Эль-Ниньо — тёплой фазы колебания температуры поверхности Тихого океана. Для Тихоокеанского гребня зимой важны стратосферные ветры и морской лёд. А Гренландский максимум зимой зависит от тропической конвекции и почвенных условий.

Анализ показал, что точные прогнозы связаны с конкретными аномалиями. Например, усиление конвекции над центральной тропической частью Тихого океана предшествует Тихоокеанской ложбине, а аномалии зонального ветра в южной тропической стратосфере — Тихоокеанскому гребню. Это значит, что для улучшения прогнозов нужно не просто добавлять больше данных, а понимать, какой компонент Земной системы важен в конкретной ситуации.

Оркестр без дирижёра играет слаженно, если знать, кто вступает следующим. Так и подсезонный прогноз: атмосфера задаёт тон в первые две недели, потом океан и суша подхватывают мелодию. И если метеорологи научатся слышать каждый инструмент отдельно, предупреждения об аномалиях погоды станут точнее.

Частота режима «Нет режима» меняется от 18% зимой до 44% летом, что делает летние прогнозы особенно трудными: атмосфера чаще находится в переходном состоянии без ярко выраженной крупномасштабной структуры.

В романе Кима Стэнли Робинсона «Сорок знаков дождя» учёные пытаются предсказать резкие изменения погодных режимов из-за остановки Гольфстрима. Данное исследование перекликается с этой идеей: оно показывает, какие медленные компоненты Земной системы могут служить ранними индикаторами смены режимов циркуляции.

F1 = 2 \times \frac{\text{Precision} \times \text{Recall}}{\text{Precision} + \text{Recall}}
Среднее гармоническое точности и полноты, используемое как целевая метрика при оптимизации гиперпараметров
Учёные
Ludwig BoltzmannHenri PoincaréJohn von NeumannJosiah Willard Gibbs
Понятия
весенний барьер предсказуемости заблаговременность прогноза прогноз сезонный цикл NOAA CPC NOAA PMEL TAO вспышка западных ветров сезонный форсинг IRI южная осцилляция североатлантическая осцилляция эль-ниньо энсо буйковые станции TAO/TRITON прогнозирование космическая погода естественная изменчивость предсказуемость модель Джина–Тиммермана климат