Международная команда исследователей из Городского университета Нью-Йорка (CUNY), Московского физико-технического института, Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и ряда других авторитетных организаций провела новаторское численное моделирование, которое помогает разобраться в одной из наиболее запутанных задач современной климатологии: как выделить предсказуемую реакцию океана на внешние факторы от его собственной внутренней непредсказуемости. В ходе работы ученые продемонстрировали, что точность прогнозирования поведения океанических течений существенно зависит от пространственного и временного разрешения климатических изменений, например, связанных с ветрами. Полученные данные были представлены в виде препринта для журнала Frontiers in Marine Science.
Мировой океан – это не просто огромный водоём, а важнейший регулятор климата Земли. Его глобальные течения, например, Гольфстрим, формируют масштабные циркуляции, известные как круговороты, которые транспортируют тепло от экватора к полюсам. Тем не менее, эта внушительная картина крупномасштабных течений – лишь одна из сторон вопроса. Океан насыщен множеством вихрей, или мезомасштабных Эдди, которые напоминают погодные системы в атмосфере. Эти вихри живут своей собственной, непредсказуемой жизнью, постоянно взаимодействуют с крупномасштабными течениями, обмениваются с ними энергией и создают то, что ученые называют «внутренней изменчивостью». Для климатологов это создает принципиальную трудность: когда мы фиксируем изменения в океане, как отличить предсказуемую реакцию на глобальное потепление или изменение ветров от случайных колебаний его внутренней «погоды»? Современные климатические модели не способны детально рассчитать каждый вихрь на планете, поэтому их совокупное влияние приходится описывать посредством упрощенных методов — параметризаций, что является одним из основных источников неопределенности в климатических прогнозах.
Группа океанографов и математиков решила рассмотреть эту задачу с иной, более глубокой точки зрения. Вместо того чтобы стремиться к совершенствованию очередной схемы параметризации, они поставили вопрос о возможности создания устойчивой математической модели, способной описывать лишь ту часть реакции океана на внешние воздействия, которая является предсказуемой и «детерминированной». Чтобы отделить предсказуемое от хаотичного, ученые применили ансамблевый метод. Они разработали упрощенную численную модель океанического бассейна и провели не одну, а 120 симуляций, каждая из которых стартовала с незначительно отличающихся исходных данных. Среднее арифметическое по всем этим симуляциям и есть тот самый отфильтрованный, детерминированный отклик системы на внешнюю силу. Различия между отдельными симуляциями отражают проявление внутреннего хаоса. Затем исследователи изучили, как эта усредненная, предсказуемая система реагирует на два принципиально разных типа воздействия. В первом случае они имитировали масштабное, медленное изменение ветра, охватывающее весь океанический бассейн. Во втором – воздействовали на модель силой, размер и частота которой соответствовали собственным хаотическим вихрям океана.
Полученные данные оказались неожиданными и противоречащими общепринятым представлениям. При воздействии на «виртуальный океан» мощного фактора (первый случай) его средняя циркуляция проявила согласованную и ожидаемую реакцию. Энергия, поступающая от ветра, первоначально накапливалась в крупномасштабных течениях, после чего постепенно переходила в непредсказуемое движение вихрей. В данном режиме упрощенная модель, которая учитывала среднее состояние вихрей, но игнорировала их изменения во времени, продемонстрировала неожиданно точные результаты.
Во втором эксперименте, где сила воздействия затрагивала размеры вихрей, ситуация существенно трансформировалась. Усредненная циркуляция практически не проявила чувствительности к внешнему воздействию. Вместо этого большая часть энергии, генерируемой «вихреподобным» ветром, мгновенно переходила в хаотическую составляющую, стимулируя внутреннюю изменчивость океана и минуя ожидаемую реакцию. В данном случае упрощенные модели оказались неэффективными, поскольку они значительно переоценили реакцию усредненной циркуляции, не учитывая этот стремительный перенос энергии в хаотическую систему.
Такайя Учида, ведущий специалист лаборатории динамики климата МФТИ, отметил: «Мы выяснили, что океан демонстрирует различную реакцию на различные типы воздействия. При применении большой и медленной силы он ведет себя как нечто монолитное, и этот отклик можно спрогнозировать. Однако, если попытаться воздействовать на него на частотах его собственной внутренней “погоды” — вихрей, — он, по сути, не реагирует на ваше влияние, моментально распределяя энергию в хаотичном движении. Это указывает на то, что для точного прогноза недостаточно просто учитывать среднее состояние океана; принципиальное значение имеет постоянное взаимодействие, динамика между крупномасштабной циркуляцией и вихрями, и эта динамика разворачивается в режиме реального времени».
Новое исследование пересматривает представления о возможности предсказания поведения океана. Оно демонстрирует, что способность прогнозировать климатическую реакцию зависит не от принципиальной возможности, а от степени детализации. Упрощенные модели, использующие усредненные во времени характеристики турбулентности, могут оказаться неточными при воздействии внешних факторов, таких как таяние ледников или экстремальные погодные условия, которые проявляются стремительно и на ограниченных пространствах. В работе акцентируется внимание на том, что перспективные климатические модели должны содержать более детализированные и динамичные представления о взаимодействии между океаническими течениями и вихрями, чтобы достоверно воспроизводить реакцию океана на быстро меняющийся климат.
В дальнейшем исследователи планируют подтвердить справедливость этих основополагающих принципов, используя более точные глобальные модели океана. Проведенное ими исследование не только стимулирует теоретические дискуссии, но и служит надежной платформой для испытания инновационных подходов к совершенствованию климатических моделей, от которых зависит возможность прогнозировать изменения климата и будущее нашей планеты.
Научная статья: Эндрю Поже, Такая Утида, Квентин Жаме и др. Размышления о создании прогностической модели ансамбля двойной мезомасштабной вихревой структуры. Препринт, представленный в Frontiers in Marine Science.
Данные предоставлены Центром научной коммуникации Московского физико-технического института