Выявлен предел предсказуемости климата Мирового океана

Международная команда исследователей из Городского университета Нью‑Йорка (CUNY), МФТИ, Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и ряда других авторитетных институтов выполнила численное исследование. Оно затрагивает одну из ключевых загадок современной климатологии: как выделить предсказуемую реакцию океана на внешние факторы из его внутренней хаотической динамики.


Мировой океан играет центральную роль в формировании климата Земли. Его крупные течения — вроде Гольфстрима — создают масштабные циркуляции, переносящие тепло от экватора к полюсам. Но наряду с этими упорядоченными процессами в океане существуют многочисленные мезомасштабные вихри (Эдди), напоминающие атмосферные погодные системы. Они ведут себя хаотично, постоянно взаимодействуя с крупными течениями, обмениваясь с ними энергией. Это явление учёные называют «внутренней изменчивостью».

Климатологи сталкиваются с серьёзной трудностью: сложно определить, вызвано ли наблюдаемое изменение глобальным потеплением или сдвигами в ветровых потоках — или же оно является проявлением внутреннего хаоса океана. Существующие климатические модели не в состоянии детально воспроизвести каждый вихрь, поэтому их совокупное влияние приходится аппроксимировать через параметризации. Это один из главных источников неопределённости в прогнозах.

Учёные решили подойти к проблеме иначе. Вместо доработки параметризаций они проверили, возможно ли создать устойчивую математическую модель, описывающую исключительно предсказуемую, детерминированную часть реакции океана на внешнее воздействие. Результаты работы подготовлены в виде препринта для журнала Frontiers in Marine Science.

Для разделения предсказуемого и хаотического компонентов исследователи применили ансамблевый метод. Они разработали идеализированную численную модель океанского бассейна и выполнили 120 симуляций с незначительно различающимися начальными условиями. Среднее значение по всем симуляциям отражает детерминированный отклик системы на внешнее воздействие, а расхождения между ними демонстрируют внутренний хаос.

Затем учёные проанализировали реакцию усреднённой системы на два типа воздействий:
- крупномасштабное, медленное изменение ветра, охватывающее весь океанский бассейн;
- воздействие, сопоставимое по масштабу и частоте с хаотическими вихрями океана.

Результаты оказались неожиданными. При воздействии крупномасштабной силы усреднённая циркуляция реагировала согласованно и предсказуемо: энергия от ветра сначала аккумулировалась в крупных течениях, а затем постепенно перераспределялась в хаотическое движение вихрей. В этом сценарии упрощённая модель, учитывающая среднее состояние вихрей без их временной динамики, показала высокую точность.

Однако при воздействии на масштабах самих вихрей картина кардинально изменилась. Усреднённая циркуляция практически не реагировала на внешнее влияние. Вся энергия мгновенно уходила в хаотическую составляющую, усиливая внутреннюю изменчивость океана. Упрощённые модели в этом случае дали ошибочные результаты, значительно завысив реакцию усреднённой циркуляции из‑за неспособности учесть быстрый «сброс» энергии в хаос.

Такайя Учида, старший научный сотрудник лаборатории динамики климата МФТИ, отметил: «Океан демонстрирует различную реакцию на разные типы воздействий. При медленном и масштабном воздействии он ведёт себя как единое целое, и этот отклик поддаётся прогнозированию. Но если воздействовать на частотах его внутренней „погоды“ — вихрей — он фактически игнорирует внешнее влияние, мгновенно рассеивая энергию в хаотическом движении. Это говорит о том, что для точных прогнозов недостаточно знать лишь среднее состояние океана: критически важен динамический обмен между крупномасштабной циркуляцией и вихрями, происходящий в реальном времени».

Исследование переосмысливает проблему предсказуемости океана. Оно демонстрирует, что возможность прогнозирования климатического отклика зависит от масштаба воздействия. Упрощённые модели, опирающиеся на усреднённые характеристики турбулентности, могут оказаться неэффективными при быстром и локальном воздействии внешних факторов — например, таяния ледников или экстремальных погодных явлений.

Работа указывает на необходимость включения в будущие климатические модели более детальных динамических представлений о взаимодействии течений и вихрей. Это позволит точнее описывать реакцию океана на стремительно меняющиеся климатические условия. Следующие этапы исследования будут посвящены проверке выявленных принципов в рамках более реалистичных глобальных моделей океана.

Читайте также: