Опираясь на факт нехаотичности короткопериодных вариаций в климатической системе (Serykh and Sonechkin, 2019) и, следовательно, неприменимости к этим вариациям парадигмы ограниченной предсказуемости погоды, сформулированной Э.Н. Лоренцем, исследуется предсказуемость широко известного феномена Эль-Ниньо. При этом рассматривается недавно обнаруженная так называемая Глобальная Атмосферная Осцилляция (ГАО) (Serykh et al., 2019). Считая ГАО главной модой короткопериодных климатических вариаций, определяются индексы, характеризующие динамику и взаимосвязь внетропических и тропических компонент ГАО. Среди этих индексов находится один, с помощью которого оказывается возможным предсказывать Эль-Ниньо с заблаговременностью в 14 месяцев. Это больше, чем заблаговременности, всех ныне существующих динамических и статистических методов прогноза Эль-Ниньо. Затем, с помощью вейвлетов, выявляется диапазон временных масштабов, внутри которого имеет место наиболее тесная кросскорреляция этого индекса с индексом, характеризующим Эль-Ниньо. В итоге, указывается на возможность дальнейшего увеличения этой заблаговременности до нескольких лет.
В работах (Серых и Сонечкин, 2017а, 2017б, 2017в; Serykh and Sonechkin, 2019) была подвергнута проверке та точка зрения, что в возникновении пиков в спектрах процессов Эль-Ниньо – Южного Колебания (ЭНЮК) повинны неравномерности вращения Земли. Проверка выполнена на доступных сейчас тщательно выверенных рядах инструментальных метеорологических наблюдений и их, так называемых, ре-анализах, т.е. рядах наблюдений, пропуски и внутренние несогласованности которых были исключены с помощью современных гидродинамических моделей общей циркуляции атмосферы. В результате все основные пики спектральной плотности в диапазоне временных масштабов от года до примерно десятилетия были соотнесены с тремя внешними периодическими воздействиями на климатическую систему: 1) Чандлеровским колебанием полюсов; 2) Лунно-солнечной нутацией; 3) Циклом солнечной активности. Главные периоды этих внешних воздействий составляют ~1.2, ~18.6 и ~11.5 года соответственно. По-видимому, они несоизмеримы друг с другом. Так что они воздействуют на климатическую систему, как бы, невпопад, и вместо хаоса порождают очень сложные, кажущиеся случайными вариации, среди которых наиболее известны «ритмы» ЭНЮК.
Коль скоро вышеуказанные периоды действительно несоизмеримы, уместно проверить гипотезу, что математическим образом короткопериодных вариаций климата является странный нехаотический аттрактор (СНА), обнаруженный математиками в конце XX-го века в решениях простых нелинейных динамических систем, возбуждаемых двумя внешними силами с несоизмеримыми периодами. Гипотеза СНА привлекательна тем, что допускает предсказание будущего поведения рассматриваемой динамической системы без каких-либо ограничений, по крайней мере, в принципе.
Анализ, выполненный в (Серых и Сонечкин, 2017б, 2017в; Serykh and Sonechkin, 2019), показал, что пики в спектрах ЭНЮК и даже некоторых метеорологических процессов, развивающихся во внетропических широтах Земли, действительно имеют свойства, присущие спектрам СНА-динамики. Целью настоящей работы является продемонстрировать, что, благодаря СНА-характеру междугодовых климатических вариаций, Эль-Ниньо может быть предсказано с заблаговременностью более года. Это превосходит пределы предсказуемости, всех ныне существующих методов прогнозов Эль-Ниньо.
В (Серых и Сонечкин, 2017б, 2017в; Serykh and Sonechkin, 2019; Serykh et al., 2019) было доказано, что ритмичность ЭНЮК не является изолированным региональным явлением, а есть часть некоторого общепланетарного процесса (Бышев и др., 2008, 2011, 2014; Byshev et al., 2017; Серых, 2018; Серых и др., 2018), названного по этой причине Глобальной Атмосферной Осцилляцией (ГАО). Пространственная структура ГАО была определена как средняя разность в среднемесячных полях давления на уровне моря и приповерхностной температуры, имеющих место при событиях Эль-Ниньо и противоположных им событиях Ла-Нинья. Ее можно охарактеризовать всего одним числом – индексом ГАО1, который вычисляется как алгебраическая сумма нормированных значений давления на уровне моря в десяти географических районах, совпадающих с экстремумами (максимумами и минимумами) в поле ГАО. ГАО1 = (5°ю.ш.-5°с.ш., 35°-25°з.д.) + (5°ю.ш.-5°с.ш., 55°-65°в.д.) + (55°-65°с.ш., 95°-85°з.д.) + (65°-55°ю.ш., 95°-85°з.д.) + (5°ю.ш.-5°с.ш., 145°-155°в.д.) – (45°-55°с.ш., 175°-165°з.д.) – (45°-55°с.ш., 15°-5°з.д.) – (55°-45°ю.ш., 15°-5°з.д.) – (55°-45°ю.ш., 175°-165°з.д.) – (5°ю.ш.-5°с.ш., 95°-85°з.д.). При Эль-Ниньо этот индекс является положительным, а при Ла-Нинья – отрицательным.
Среди выбранных районов есть два, которые приходятся на канонические районы развития процессов ЭНЮК. Это – районы с координатами (5°ю.ш.-5°с.ш., 145°-155°в.д.) и (5°ю.ш.-5°с.ш., 95°-85°з.д.). Значения давления на уровне моря в этих районах сильно отличаются от нуля. Поэтому может показаться, что именно они определяют значения индекса ГАО1. Если бы это имело место в реальности, то ГАО было бы не более чем отличным от ранее предложенных индексом ЭНЮК.
Действительно, если подсчитать индекс процессов ЭНЮК (будем называть его Расширенным Океаническим Ниньо Индексом – РОНИ) как среднюю приповерхностную температуру в приэкваториальной полосе Тихого океана (5°ю.ш.-5°с.ш., 170°-80°з.д.), то кросскорреляция между временными вариациями индексов ГАО1 и РОНИ оказывается максимальной при нулевом фазовом сдвиге между этими вариациями, т.е. вариации происходят синхронно во времени. Величина этой максимальной кросскорреляции очень велика (0.9). Учитывая, что исходные метеорологические данные, использованные в выбранном ре-анализе NOAA CIRES 20th Century Global Reanalysis Version 2c, отягощены ошибками наблюдений, которые должны уменьшать связь между рассматриваемыми индексами, можно заключить, что между процессами ГАО и ЭНЮК на межгодовых периодах фактически имеется взаимно однозначная (функциональная) связь. Помимо указанного ре-анализа были исследованы данные наблюдений Met Office Hadley Center HadSLP2 и HadCRUT.4.6, которые продемонстрировали близкие результаты, с учетом большого количества пропусков в данных до 1950-х годов.
Чтобы убедиться, что процессы ГАО и ЭНЮК все же не являются тождественными, определим еще один индекс ГАО, обозначаемый далее, как ГАО2. Этот индекс отличается от ГАО1 тем, что при его подсчете районы с координатами (5°ю.ш.-5°с.ш., 145°-155°в.д.) и (5°ю.ш.-5°с.ш., 95°-85°з.д.) исключаются из рассмотрения. Синхронная кросскорреляция между индексом ГАО2 и РОНИ тоже оказывается очень велика (0.8), но, все же, меньше, чем между ГАО1 и РОНИ.
Проведенное вейвлетное преобразование (ВП) рядов РОНИ и ГАО2 позволило выяснить, вариации каких временных масштабов определяют эту большую кросскорреляцию. Из неё можно заключить, что динамика внетропических компонент ГАО и РОНИ, т.е. ЭНЮК, отнюдь не тождественна. Между этими процессами существует очень большое сходство в диапазоне временных масштабов от примерно года до примерно десятилетия. Однако, поведение ГАО и РОНИ в масштабах нескольких десятилетий является различным.
Осцилляторный характер графиков кросскорреляций РОНИ и ГАО2 свидетельствует, что синхронизация между внетропическими компонентами ГАО и ЭНЮК является фазовой. Можно считать, что она определяется внешним периодическим форсингом глобальной климатической системы за счет чандлеровского колебания полюсов Земли, воздействующим и на ГАО и на ЭНЮК. Это является очень важным заключением, ибо до настоящего времени было принято считать, что сами процессы ЭНЮК влияют на процессы, происходящие почти всюду на Земле, зачастую весьма далеко от приэкваториальной полосы Тихого океана. Иными словами, было принято истолковывать наличие тесных кросскорреляций между различными индексами ЭНЮК и индексами внетропических атмосферных процессов в причинно-следственном смысле.
Однако, еще много лет назад А.Н. Колмогоров предупреждал против истолкования синхронных корреляционных связей между различными переменными в терминах причин и следствий. При рассмотрении проблемы взаимосвязи между процессами ЭНЮК и внетропическими процессами в глобальной климатической системе естественно посчитать, что имеет место вынужденная синхронизация, когда обе подсистемы находятся под воздействием одной и той же внешней периодической силы. Такая синхронизация отличается от часто рассматриваемой внутренней синхронизации нелинейных осцилляторов, связанных друг с другом (известный эффект Гюйгенса). Конечно, процессы ЭНЮК взаимодействуют с внетропическими процессами. Однако, эти взаимодействия, являются очень слабыми, например, влияние Эль-Ниньо на процессы в Северной Атлантике или, наоборот, влияние Северной Атлантики на Эль-Ниньо. Скорее не взаимодействия между различными климатическими процессами, а общие внешние форсинги определяют наблюдаемую синхронизацию.
Как уже говорилось выше, одним из важных форсингов является чандлеровское колебание полюсов Земли. Как было установлено еще во второй половине XX-го века, это колебание возбуждает в атмосфере и океанах приливные волны, распространяющиеся с запада на восток противофазно в умеренных широтах обоих полушарий. Недавно, путем анализа данных спутниковой альтиметрии водной поверхности Тихого океана было показано (Serykh and Sonechkin, 2019), что волна северотихоокеанского «полюсного» прилива, после отражения от западных берегов Центральной Америки, возбуждает положительные аномалии поверхности Тихого океана. Это – как раз Эль-Ниньо, которое является составным элементом ритмов ЭНЮК.
Континенты не являются непреодолимым препятствием для западно-восточного распространения атмосферных «полюсных» приливов. Поэтому можно ожидать, что в динамике внетропических компонент ГАО, коль скоро ГАО форсируется чандлеровским колебанием полюсов Земли, тоже будет наблюдаться западно-восточное смещение. При рассмотрении временных изменений пространственной структуры ГАО в полях давления на уровне моря и приповерхностной температуры такое смещение действительно было найдено (Serykh et al., 2019). После нескольких проб удалось определить индекс, величина которого наиболее четко представляет это смещение. Назовем этот индекс ГАО3. Он вычисляется как алгебраическая сумма нормированных значений среднемесячного приземного давления и температуры в 15 географических районах: ГАО3 = T(20°-50°с.ш., 160°-130°з.д.) + T(35°-25°ю.ш., 160°-80°з.д.) + T(65°-45°ю.ш., 150°в.д.-160°з.д.) + T(65°-45°ю.ш., 60°з.д.-0°) + T(40°-70°с.ш., 90°в.д.-180°) – T(30°ю.ш.-30°с.ш., 60°з.д.-180°)– T(60°-31°ю.ш., 90°-120°в.д.) – T(31°-60°с.ш., 100°-40°з.д.) + P(50°-70°с.ш., 170°в.д.-120°з.д.) + P(70°-50°ю.ш., 170°в.д.-120°з.д.) + P(60°ю.ш.-20°с.ш., 40°-80°в.д.) + P(30°ю.ш.-30°с.ш., 70°-10°з.д.) – P(0°-40°с.ш., 120°в.д.-120°з.д.) – P(45°-25°ю.ш., 120°в.д.-60°з.д.) – P(50°-70°с.ш., 50°-90°в.д.).
Был построен временной ряд значений индекса ГАО3 и затем вычислены кросскорреляции этого ряда с рядом индекса РОНИ при различных временных сдвигах между ними. Замечательно, что главный максимум кросскорреляции имеет место, когда вариации ГАО3 опережают по времени вариации РОНИ на 14 месяцев, т.е. точно на период чандлеровского колебания полюсов Земли. Величина главного кросскорреляционного максимума весьма велика (0.7).
Используя эту кросскорреляцию, можно предсказывать величину индекса РОНИ, т.е. возникновение или Эль-Ниньо, или Ла-Нинья, с 14-месячной заблаговременностью. Заметим, что нынешние прогнозы Эль-Ниньо опираются на кросскорреляцию, равную примерно 0.5 при заблаговременности не более полугода. Но такие довольно неуверенные прогнозы можно делать по индексу ГАО3 с заблаговременностью примерно три с половиной года. На эту возможность указывает наличие минимума кросскорреляции на графике ГАО3-РОНИ при временном упреждении в 40 месяцев.
Для того чтобы выяснить, как зависит асинхронная кросскорреляция между рядами ГАО3 и РОНИ от временного масштаба, была использована техника ВП анализа кросскорреляций между временными рядами. Выявлены диапазоны масштабов, внутри которых существует тесная связь между временными вариациями упреждающего индекса ГАО3 и индекса РОНИ (Вакуленко и др., 2018). Это – междугодовые – декадные временные масштабы, в которых, как было показано ранее, глобальная климатическая система форсируется несколькими внешними силами, периоды которых, по-видимому, несоизмеримы друг с другом. Помимо годового хода притока тепла от Солнца, эти силы включают чандлеровское колебание полюсов Земли, лунно-солнечную нутацию и цикл солнечной активности. В результате оказывается возможным предсказывать индекс ЭНЮК с заблаговременностью в 14 месяцев, что существенно превышает заблаговременность существующих сейчас прогнозов ЭНЮК. Учитывая же СНА-динамику ГАО и ЭНЮК, открывается возможность дальнейшего увеличения заблаговременности до нескольких лет.