Комнаты зимнего неба: как атмосфера выбирает погоду ✛
Зимой над Северным полушарием воздух движется не как попало, а проводит по несколько дней в одном и том же узоре, прежде чем перестроиться. Эти узоры похожи на комнаты в лабиринте: система входит, задерживается, затем находит дверь в другую комнату. В каждой комнате своя погода: где-то над Европой тепло и влажно, где-то над Сибирью морозно и ясно.
Чтобы найти эти комнаты, учёные взяли данные о высоте, на которой давление воздуха составляет примерно половину от приземного, за 70 с лишним зим. Они применили математический приём, который сначала сжимает огромный объём данных до трёх главных осей, а затем ищет повторяющиеся состояния, учитывая их последовательность во времени. Это важно: если просто сгруппировать похожие картинки, можно принять за режим случайное совпадение, а временная связь помогает отсеять шум.
Переходы между комнатами не случайны. Система предпочитает ходить по кругу: из первой во вторую, из второй обратно в первую, затем в четвёртую и третью, и снова в первую. Средняя продолжительность пребывания в комнате — около недели, но третья комната иногда удерживает атмосферу на месяц, как это было в аномально холодную зиму 2009–2010 годов в Европе.
Самое неожиданное открытие связано с Тихим океаном. Частота появления второй комнаты оказалась связана с медленными колебаниями температуры поверхности океана, которые длятся десятилетиями. Коэффициент корреляции достигает 0,8 с опережением в один год. Это значит, что по состоянию Тихого океана можно предсказать, как часто атмосфера будет заходить в ту или иную комнату следующей зимой.
Раньше было неясно, как строго отделить настоящие режимы от случайных скоплений похожих картинок. Теперь показано, что режимы — это не просто статистические кластеры, а динамические структуры с предсказуемыми переходами. Этот подход можно применить к климатическим моделям, чтобы проверить, умеют ли они воспроизводить комнаты реальной атмосферы, и к прогнозам на несколько недель вперёд, где сейчас много неопределённости. Лабиринт зимнего неба стал чуть понятнее, и теперь можно учиться предсказывать, в какую комнату он войдёт завтра.
Режим 3, соответствующий отрицательной фазе Североатлантической осцилляции, иногда длится до месяца, вызывая аномально холодные зимы в Европе, как в 2009–2010 годах.