ХАОС И ПОРЯДОК В АТМОСФЕРНОЙ ДИНАМИКЕ Часть 2. Междугодовые ритмы Эль-Ниньо – Южного колебания


Образец для цитирования:

Серых И. В., Сонечкин Д. М. ХАОС И ПОРЯДОК В АТМОСФЕРНОЙ ДИНАМИКЕ Часть 2. Междугодовые ритмы Эль-Ниньо – Южного колебания // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика.2017 Т. 25, вып. 5. С. 5-?. DOI: 10.18500/0869-6632-2017-25-5-5-25


Основываясь на математической теории о так называемом странном нехаотическом аттракторе в квазипериодически форсированных динамических системах, по данным о температуре поверхности океана и атмосферном давлении на уровне моря за 1870–2014 годы исследованы процессы Эль-Ниньо – Южного колебания (ЭНЮК). Обнаружено, что на ЭНЮК влияет не только годовой ход притока тепла от Солнца к климатической системе, но еще три другие внешние силы, периоды которых несоизмеримы с годовым периодом. Эти силы связаны с лунно-солнечной нутацией оси вращения Земли (приблизительный период 18.6 года), 11-летним циклом солнечной активности и чандлеровским колебанием полюсов Земли (период около 1.2 года). Из-за взаимной несоизмеримости периодов этих сил, все они воздействуют на климатическую систему в «неподходящие» моменты времени. В результате временные индексы, представляющие процессы ЭНЮК, выглядят очень сложными («странными» в математических терминах), но не хаотичными. Показано, что энергетические спектры индексов ЭНЮК имеют полосы повышенной спектральной плотности, расположенные на суб- и супергармониках вышеперечисленных периодов. На основе специальных рассмотрений структуры энергетических спектров индексов ЭНЮК получено свидетельство их дискретности, то есть нехаотичности. Этого ранее никто не предполагал. Несмотря на сложность процессов ЭНЮК, динамика временных индексов этих процессов обнаруживает определенную внутреннюю согласованность, похожую на ту, что присуща странным нехаотическим аттракторам. Эта согласованность проявляется в существовании пиков в энергетических спектрах и соответствующих этим пикам ритмов в динамике индексов ЭНЮК. Принятие модели странного нехаотического аттрактора для ЭНЮК означает, что нет никаких пределов предсказуемости ЭНЮК в принципе. На практике это открывает возможность прогнозировать ЭНЮК на несколько лет вперед.

 
DOI: 
10.18500/0869-6632-2017-25-5-5-25
Литература

1. Kurzbach J.E., Bryson R.A. Variance spectrum of Holocene climatic fluctuations in the North Atlantic sector // J. Atmoc. Sci. 1974. Vol. 183. No.4126. P. 709–714.
2. Mitchell J.M. Note on solar variability and volcanic activity as potential sources of climatic variability // In: The Physical Basis of Climate and Climate modeling. GARP Bull. Series. 1975. No.16. P. 127–131.
3. Монин А.С., Шишков Ю.А. История климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 407 с.
4. Pelletier J. The power-spectral density of atmospheric temperature from time scales of 10−2 to 106 yr // Earth Planetary Sci. Lett. 1998. Vol. 158. P. 157–164.

5. Huybers P., Curry W. Links between annual, Milankovitch and continuum temperature variability // Nature. 2006. Vol. 441. P. 329–332.

6. Вакуленко Н.В., Иващенко Н.Н., Котляков В.М. и др. О бифуркации умножения периода ледниковых циклов в начале плейстоцена // Доклады АН. 2011. Т. 436. No 4. С. 541–544.
7. Вакуленко Н.В., Сонечкин Д.М. Свидетельство скорого окончания современного межледниковья // Доклады АН. 2013. Т. 452. No 1. С. 92–95.
8. Вакуленко Н.В., Котляков В.М., Сонечкин Д.М. Об увеличении изменчивости глобального климата примерно за 400 тыс. лет до настоящего времени // Доклады АН. 2014. Т. 456, No 5. С. 600–603.

9. Вакуленко Н.В., Иващенко Н.Н., Котляков В.М. и др. О бифуркациях умножения периода ледниковых циклов в плиоцене – плейстоцене // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2013. Т. 21, No 2. С. 88–112.
10. Вакуленко Н.В., Котляков В.М., Сонечкин Д.М. Предсказуем ли климат в геологическом масштабе времени? // Доклады АН. 2015. Т. 460, No 1. С. 215–219.
11. Ivashchenko N.N., Kotlyakov V.M., Sonechkin D.M. et al. On bifurcations inducing glacial cycle lengthening during Pliocene/Pleistocene epoch // Intern. J. Bifurcation and Chaos. 2014. Vol. 24, No. 8. 1440018 (8 pages).
12. Jin F.F., Neelin J.D., Ghil M. El Nino on the devil’s: annual subharmonic steps to chaos // Science. 1994. Vol. 264. P. 70–72.
13. Jin F.F., Neelin J.D., Ghil M. El Nino/Southern Oscillation and the annual cycle: Subharmonic frequency locking and aperiodicity // Physica D. 1996. Vol. 98. P. 442–465.
14. Tziperman E., Stone L., Cane M.A. et al. El Nino chaos: overlapping of resonances between the seasonal cycle and the Pacific ocean – atmosphere oscillator // Science. 1994. Vol. 264. P. 72–74.
15. Tziperman E., Zebiak S.E., Cane M.A. Mechanisms of seasonal – ENSO interaction // J. Atmos. Sci. 1997. Vol. 54. P. 61–71.
16. Tziperman E., Cane M.A., Zebiak S.E. et al. Locking of El Nino’s peak time to the end of the calendar year in the delayed oscillator picture of ENSO // J. Climate. 1998. Vol. 9. P. 2191–2199.
17. Eccles F., Tziperman E. Nonlinear effects on ENSO’s period // J. Atmos. Sci. 2004. Vol. 61. P. 474–482.
18. Сонечкин Д.М. Стохастичность в моделях общей циркуляции атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 280 с.
19. Даценко Н.М., Зимин Н.Е. Динамические проявления резонансного возбуждения долгопериодных колебаний в модели с сезонным термическим форсированием // Труды Гидрометцентра СССР. 1987. Вып. 290. С. 111–127.
20. Виноградская А.А., Власова И.Л., Даценко Н.М., Сонечкин Д.М. Теория годового хода зональной циркуляции атмосферы, II. Четырнадцатимодовая модель суб- и супергармонических резонансов // Труды Гидрометцентра СССР. 1988. Вып. 297. С. 166–174.
21. Torrence C., Compo G.P. A practical guide to wavelet analysis // Bull. Amer. Meteorol. Soc. 1997. Vol. 79, No.1. P. 61–78.
22. Sonechkin D.M., Ivashchenko N.N. On the role of a quasiperiodic forcing in the interannual and interdecadal climate variations // CLIVAR Exchanges. 2001. Vol. 6, No.1. P. 5–6.
23. Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. 2002. СПб.: Гидрометеоиздат, 200 с.

24. Currie R.G., Hameed S. Evidence of quasi-biennial oscillations in a general circulation model // Geophys. Res. Lett. 1988. Vol. 15. P. 649–652.

25. Hameed S., Currie R.G., LaGrone H. Signals in atmospheric pressure variations from 2 to ∼ 70 months: Part 1. Simulations by two coupled ocean-atmosphere GCMs // Intern. J. Climatol. 2007. Vol. 15. No. 8. P. 853–871.
26. Allan R.J., Ansell, T.J. A new globally-complete monthly historical gridded mean sea level pressure data set (HadSLP2): 1850–2004 // J. Climate. 2006. Vol. 19. P. 5816–5846.
27. Rayner N.A., Parker D.E., Horton E.B., Folland C.K., Alexander L.V., Rowell D.P., Kent E.C., Kaplan A. Global analyses of sea surface temperature, sea ice, and night marine air temperature since the late nineteenth century // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, No. D14, 4407 10.1029/2002JD002670.

28. Compo G.P., Whitaker J.S., Sardeshmukh P.D. et al. The Twentieth Century Reanalysis Project // Quarterly J. Roy. Meteorol. Soc. 2011. 137. P. 1–28.

29. Braganza, K., Gergis J.L., Power S.B., Risbey J.S., Fowler A.M. A multiproxy index of the El Nino–Southern Oscillation, A.D. 1525–1982 // J. Geophys. Res. 2009. 114. D05106.
30. Lorenz E.N. Deterministic nonperiodic flow // J. Atmos. Sci. 1963. Vol. 20. P. 130–141.
31. Roessler O.E. Continuous chaos // In: Synergetics, Proceedings Intern. Workshop, Schloss Elmar, Bavaria, 1977: Berlin, 1977. P. 184–197.
32. Lorenz E.N. A very narrow spectral band // J. Statist. Phys. 1984. Vol. 36, No.1–2. P. 1–14.
33. Серых И.В., Сонечкин Д.М. О влиянии полюсного прилива на Эль-Ниньо // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. No 2. С. 44–52.
34. Kim S.-H., Ostlund S. Renormalization of mappings of the two-torus // Physical Review Letters. 1985. Vol. 55. No.1. P. 1165–1168.
35. Tsonis A.A., Roebber P.J., Elsner J.B. A characteristic time scale in the global temperature record // Geophys. Res. Lett. 1998. Vol. 25. No.15. P. 2821–2823.
36. Вакуленко Н.В., Сонечкин Д.М. Свидетельство влияния солнечной активности на Эль-Ниньо – Южное колебание // Океанология. 2011. Т. 51. No 6. С. 994–999.
37. Feudel U., Kuznetsov S., Pikovsky A. Strange nonchaotic attractors. Singapore: World Scientific Series on Nonlinear Science, Series A. 2006. Vol. 56.
38. Bondeson A., Ott E., Antonsen T.M. Quasiperiodic forced damped pendula and Schroedinger equations with quasiperiodic potentials: implications of their equivalence // Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 55. No. 20. P. 2103–2106.

39. Ditto W.L., Spano M.L., Savege H.T. et al. Experimental observation of a strange nonchaotic attractor // Phys. Rev. Lett. 1990. Vol. 65. No.5. P. 533–536.

Статус: 
одобрено к публикации
Краткое содержание (PDF): 

BibTeX

@article{Serykh-IzvVUZ_AND-25-5-5,
author = {Илья Викторович Серых and Дмитрий Михайлович Сонечкин},
title = {ХАОС И ПОРЯДОК В АТМОСФЕРНОЙ ДИНАМИКЕ Часть 2. Междугодовые ритмы Эль-Ниньо – Южного колебания},
year = {2017},
journal = {Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика},
volume = {25},number = {5},
url = {http://andjournal.sgu.ru/ru/articles/haos-i-poryadok-v-atmosfernoy-dinamike-chast-2-mezhdugodovye-ritmy-el-nino-yuzhnogo},
address = {Саратов},
language = {russian},
doi = {10.18500/0869-6632-2017-25-5-5-25},pages = {5--?},issn = {0869-6632},
keywords = {Энергетические спектры Эль-Ниньо – Южного Колебания,квазипериодичность внешних воздействий на климатическую систему,чандлеровское колебание,лунно-солнечная нутация,солнечная активность,Странный нехаотический аттрактор},
abstract = {Основываясь на математической теории о так называемом странном нехаотическом аттракторе в квазипериодически форсированных динамических системах, по данным о температуре поверхности океана и атмосферном давлении на уровне моря за 1870–2014 годы исследованы процессы Эль-Ниньо – Южного колебания (ЭНЮК). Обнаружено, что на ЭНЮК влияет не только годовой ход притока тепла от Солнца к климатической системе, но еще три другие внешние силы, периоды которых несоизмеримы с годовым периодом. Эти силы связаны с лунно-солнечной нутацией оси вращения Земли (приблизительный период 18.6 года), 11-летним циклом солнечной активности и чандлеровским колебанием полюсов Земли (период около 1.2 года). Из-за взаимной несоизмеримости периодов этих сил, все они воздействуют на климатическую систему в «неподходящие» моменты времени. В результате временные индексы, представляющие процессы ЭНЮК, выглядят очень сложными («странными» в математических терминах), но не хаотичными. Показано, что энергетические спектры индексов ЭНЮК имеют полосы повышенной спектральной плотности, расположенные на суб- и супергармониках вышеперечисленных периодов. На основе специальных рассмотрений структуры энергетических спектров индексов ЭНЮК получено свидетельство их дискретности, то есть нехаотичности. Этого ранее никто не предполагал. Несмотря на сложность процессов ЭНЮК, динамика временных индексов этих процессов обнаруживает определенную внутреннюю согласованность, похожую на ту, что присуща странным нехаотическим аттракторам. Эта согласованность проявляется в существовании пиков в энергетических спектрах и соответствующих этим пикам ритмов в динамике индексов ЭНЮК. Принятие модели странного нехаотического аттрактора для ЭНЮК означает, что нет никаких пределов предсказуемости ЭНЮК в принципе. На практике это открывает возможность прогнозировать ЭНЮК на несколько лет вперед.   }}