Международная группа ученых из Городского университета Нью-Йорка (CUNY), МФТИ, Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и других ведущих институтов провела уникальное численное исследование, которое проливает свет на одну из самых сложных проблем современной климатологии: как отделить предсказуемый отклик океана на внешние воздействия от его собственного внутреннего хаоса. Ученые показали, что способность прогнозировать поведение океанических течений кардинально зависит от пространственного и временного масштаба климатических изменений, например, ветров. Результаты были представлены в виде препринта для журнала Frontiers in Marine Science
Мировой океан — это не просто гигантский резервуар воды, а ключевой дирижер климата Земли. Его глобальные течения, такие как Гольфстрим, образуют огромные циркуляции, называемые круговоротами, которые переносят тепло от экватора к полюсам. Однако эта величественная картина крупномасштабных течений — лишь одна сторона медали. Океан пронизан бесчисленными вихрями, или мезомасштабными Эдди, которые подобны погодным системам в атмосфере. Эти вихри живут своей собственной, хаотической жизнью, постоянно взаимодействуя с крупномасштабными течениями, обмениваясь с ними энергией и создавая то, что ученые называют «внутренней изменчивостью». Для климатологов это создает фундаментальную проблему: когда мы наблюдаем изменение в океане, как понять, что из этого является предсказуемым ответом на глобальное потепление или изменение ветров, а что — всего лишь случайным капризом его внутренней «погоды»? Современные климатические модели не могут детально просчитать каждый вихрь на планете, поэтому их коллективное влияние приходится описывать с помощью упрощенных схем — параметризаций, что является одним из главных источников неопределенности в климатических прогнозах.
Рисунок 1. Анатомия океанического круговорота. Коллаж показывает, как океан выглядит в разные моменты времени. (b) «Погода» океана — мгновенный снимок течений, полный хаотических вихрей. (c) «Климат» океана — усредненная за 1000 лет картина, где проявляется стабильное крупномасштабное течение (двойной круговорот). (d) «Шум» океана — это и есть внутренний хаос, то есть разница между мгновенной «погодой» и долгосрочным «климатом». Задача ученых — предсказать, как изменится «климат» (c) под действием внешних сил, несмотря на непредсказуемый «шум» (d). Источник: препринт для Frontiers in Marine Science.
Коллектив океанографов и математиков решил подойти к этой проблеме с другой, более фундаментальной стороны. Вместо того чтобы пытаться улучшить очередную схему параметризации, они задались вопросом: можно ли в принципе создать устойчивую математическую модель, которая бы описывала только предсказуемую, «детерминированную» часть реакции океана на внешнее воздействие? Чтобы отделить предсказуемое от хаотичного, ученые использовали ансамблевый метод. Они создали идеализированную численную модель океанского бассейна и провели не одну, а 120 симуляций, каждая из которых начиналась с немного отличающихся начальных условий. Среднее арифметическое по всему этому «ансамблю» симуляций и представляет собой тот самый чистый, детерминированный отклик системы на внешнюю силу. Различия же между отдельными симуляциями — это и есть проявление внутреннего хаоса. Затем исследователи проверили, как эта усредненная, предсказуемая система реагирует на два принципиально разных типа воздействия. В первом случае они имитировали крупномасштабное, медленное изменение ветра, охватывающее весь океанский бассейн. Во втором — воздействовали на модель силой, которая по своему размеру и частоте была похожа на собственные хаотические вихри океана.
Результаты оказались поразительными и контринтуитивными. Когда на «виртуальный океан» действовала крупномасштабная сила (первый случай), его усредненная циркуляция отреагировала слаженно и предсказуемо. Энергия, полученная от ветра, сначала накапливалась в крупномасштабных течениях, а затем медленно перераспределялась в хаотическое движение вихрей. В этом режиме упрощенная модель, которая учитывала среднее состояние вихрей, но не их изменения во времени, показала на удивление хороший результат.
Рисунок 2. Реакция на глобальное воздействие. Снимки «виртуального океана» в разные моменты времени после кратковременного усиления ветра над всем бассейном. Первый столбец (Reference): «Истинная» реакция усредненной циркуляции — струя течения усиливается и смещается, но остается целостной и стабильной. Второй столбец (FT): Лучшая из упрощенных моделей. Она правильно улавливает общую картину, хотя и с некоторыми неточностями. Третий столбец (NLR): Неудачная модель. Не имея информации о стабилизирующем влиянии вихрей, она «сходит с ума» и порождает собственный, нереалистичный хаос. Источник: Poje et al., препринт для Frontiers in Marine Science.
Однако во втором эксперименте, когда сила воздействовала на масштабах самих вихрей, картина кардинально изменилась. Усредненная циркуляция почти не отреагировала на внешнее воздействие. Вместо этого вся энергия от «вихреподобного» ветра почти мгновенно уходила напрямую в хаотическую составляющую, подпитывая внутреннюю изменчивость океана и обходя стороной предсказуемый отклик. В этом случае все упрощенные модели потерпели сокрушительную неудачу, многократно завысив реакцию усредненной циркуляции, поскольку они не могли учесть этот быстрый «сброс» энергии в хаос.
Рисунок 3. Энергия усредненной циркуляции в ответ на воздействие, имитирующее океанические вихри. Черная линия (Reference): «Истинный» отклик океана. Он очень слабый — система почти не реагирует, немедленно сбрасывая энергию в хаотическое движение. Синяя, зеленая и фиолетовая линии: Предсказания трех упрощенных моделей. Они не способны учесть этот быстрый сброс энергии в хаос и поэтому ошибочно предсказывают колоссальный, в 5-10 раз больший, отклик. Источник: препринт для Frontiers in Marine Science.
Такайя Учида, старший научный сотрудник лаборатории динамики климата МФТИ, прокомментировал: «Мы обнаружили, что океан по-разному реагирует на разные типы воздействия. Если вы толкаете его большой и медленной силой, он отвечает как единое целое, и этот отклик можно предсказать. Но если вы пытаетесь воздействовать на него на частотах его собственной внутренней ‘погоды’ — вихрей, — он, по сути, игнорирует ваше воздействие, немедленно рассеивая энергию в своем хаотическом движении. Это означает, что для точного прогноза недостаточно просто знать среднее состояние океана; ключевым является непрерывный диалог, танец между крупномасштабной циркуляцией и вихрями, и этот танец происходит в реальном времени».
Исследование меняет взгляд на проблему предсказуемости океана. Оно показывает, что способность прогнозировать климатический отклик — это не вопрос «да» или «нет», а вопрос масштаба. Упрощенные модели, основанные на усредненных по времени характеристиках турбулентности, могут быть неадекватны в условиях, когда внешние воздействия (например, от тающих ледников или экстремальных погодных явлений) происходят быстро и на небольших пространственных масштабах. Работа подчеркивает, что будущие климатические модели должны включать более сложные, динамические представления о взаимодействии между течениями и вихрями, чтобы корректно описывать реакцию океана на быстро меняющийся климат.
Дальнейшие шаги исследователей будут направлены на проверку этих фундаментальных принципов в более реалистичных глобальных моделях океана. Их работа предоставляет не только пищу для размышлений теоретикам, но и строгий полигон для тестирования новых идей по усовершенствованию климатических моделей, от точности которых зависит наше понимание будущего планеты.
Научная статья: Andrew Poje, Takaya Uchida, Quentin Jamet, et al. Thoughts on prognostically modeling an eddying double-gyre ensemble mean. Preprint submitted to Frontiers in Marine Science.
