Netteorien afslører globale forbindelser i jordens klima • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Fysik, Klima

Netværksteori identificerer globale forbindelser i jordens klima

Fig. 1. Klimanetværket bruges til at søge efter langdistanselimatiske forbindelser i overfladetemperaturdata. De stærkeste forbindelser blev fundet i Sydsøen og er tilsyneladende forbundet med et atmosfærisk fænomen i høj højde – Rossby bølger. På kortene efter farve viser områder med forskellige mængder af udgående (til venstre) og indkommende (til højrea) klimaforbindelser Billede fra artiklen under drøftelse

Det er kendt, at der i klimatiske data er stabile korrelationer mellem meget fjerne områder af jordens overflade, og deres grunde er ikke altid klare. Anvendelsen af ​​netteori til analyse af overfladetemperaturer viste tilstedeværelsen af ​​en periodisk korrelation på den sydlige halvkugle, hvor alle egenskaber konvergerer med atmosfæriske Rossby-bølger. Oprettelsen af ​​sådanne forbindelser vil være en god hjælp til traditionelle klimamodeller.

Klima som et komplekst system

Jordens klima er et sjældent komplekst dynamisk system. Selv selve begrebet "kompleksitet" som anvendt til klima bliver mangefacetteret.

Klimaet er kompliceret, primært fordi processer fra forskellige områder inden for naturvidenskaben finder sted i eller påvirkes af det: atmosfærens dynamik,oceaner og gletsjere, biologiske processer (vegetation, biologisk aktivitet i havet), fysiske og kemiske processer i atmosfæren (påvirker skydepladen), geografiske og geologiske faktorer, astrofysiske effekter (Milankovitch-cyklusser, kosmiske stråleeffekter, solaktivitet) og Endelig den menneskeskabte belastning på klimaet. Som følge heraf bestemmes klimaet og påvirker selv et stort antal målte parametre, lige fra rent fysisk (temperatur, luftfugtighed, vind, atmosfærisk sammensætning osv.) Til biologiske (for eksempel ændringer i fordelingsområdet for dyr og planter).

Klimaet er også kompliceret, fordi de naturlige love selv, der styrer disse processer, er "hævede". Selv i områder, hvor meget kommer ned til ren matematik, siger i atmosfærisk dynamik, er ligningerne komplekse, og deres løsninger er endnu mere komplicerede. Og punktet her er ikke så meget kaoset, der opstår i disse beslutninger; i sidste ende, hvis det viste sig, at værdierne ændres helt uforudsigelige, ville det være halvt dårligt. Vanskeligheden er her, at der i klimavariabler er et uforudsigeligt element,og stabile mønstre, og de er sammenflettet med hinanden.

Endelig er klimaet kompliceret på grund af det faktum, at processerne forekommer i det multiscale. F.eks. I Nordatlanten alene, hvis klima for åbenlyse historiske grunde studeres i detaljer, findes der foruden åbenlyse sæsonmæssige ændringer den nordatlantiske oscillation (se nordatlantisk svingning) – en klimatisk atmosfærisk udsving på skalaer fra flere dage til flere år, og Atlanterhavs multi-decades oscillation (se atlantisk multidecadal oscillation) – en ændring i den gennemsnitlige årlige temperatur i havets næsten overfladiske lag med en periode på årtier og endog tilsyneladende en århundredes svingning.

Den samme kompleksitet observeres på en rumlig skala: processerne er regionale og store og globale. Men kun her er der en yderligere omstændighed, der yderligere komplicerer dynamikken i klimaet. Ved første øjekast forekommer det helt naturligt, at virkningen i et klima kun skal overføres til "naboer": klimaændringer (uanset hvilken skala) på ét sted skal påvirke naboområderne – dem – på deres naboer og så videre langs kæden.I sidste ende kender vi fra erfaring, at en del atlanterhavscyklon først kommer til Vesteuropa, derefter til østlige, og derefter går til Rusland, og hopper ikke over hele planeten, der vises her og der. Og hvis vi taler om samspillet mellem de fjerne regioner på planeten, så må den mekanisme, der leverer den, være den største globale skala.

Det viser sig, at dette ikke altid er tilfældet. I klimaet er der fjerne korrelationer (telekonnektioner), det vil sige synkrone ændringer i nogle karakteristika af relativt kompakte, men betydeligt fjernt fra hinanden. Det mest kendte eksempel er El Nino's globale klimaindflydelse. Fænomenet selv finder sted nær ækvator i det østlige Stillehav, men det påvirker fjerntliggende Stillehavsområder samt flere andre regioner på planeten. Et andet, måske endnu mere imponerende eksempel: En væsentlig del af alle de mineraler, der forbruger skove i Amazonas lavland, kommer der i form af mineralstøv fra et meget kompakt sted i Sahara, 5.000 kilometer fra Amazonia selv.Selvom dette fjerne forhold ikke direkte vedrører klimaet, men klimaet påvirker det, og det selv kan påvirke klimaet stærkt, hvis det bryder.

Netværksteori anvendt til klima

Ved krydset mellem diskret matematik og statistisk dataanalyse er der en interessant disciplin kaldt netværksteori. På trods af en noget abstrakt formulering finder den mange anvendelser i naturlige fænomener og i mange sociale processer, der spænder fra økonomien til dynamikken i en panikmængde. Analysen af ​​disse systemer inden for netværksteorien anvender ofte statistiske fysikers metoder og sprog, derfor offentliggøres sådanne papirer blandt andet i fysiske tidsskrifter.

Et netværk er et sæt af noder, der kan forbindes til andre knudepunkter gennem links, hvorigennem en mængde kan overføres. Hvor mange forbindelser knuden har, om forbindelserne er rettet eller ej, hvad er deres intensitet – alle disse er modelparametrene. Det er dog ofte vigtigere at karakterisere hele netværket end dette, men konceptet topologi netværk, så hvor meget det er multipliceret tilsluttet (figur 2). En type netværk er et simpelt gitter, hvor knuder er ensartet fordelt på et plan, og hver knude er kun forbundet med et par nærmeste (næsten alle fysiske systemer af denne type).En anden type er systemer med et stærkt hierarki eller clustering. Den tredje type er netværket med det betingede navn "Small-world network". Disse og mange andre typer netværk har forskellig dynamik og forskellig modstandsdygtighed overfor skader.

Fig. 2. Eksempler på netværk med forskellige topologier. Billede fra p2pfoundation.net

Den kendsgerning, at klimatiske egenskaber ikke blot jævnt "flyder" rundt om i verden, men også kan "hoppe" over lange afstande, tyder på, at klimaet også kan modelleres med et netværk med en usædvanlig topologi. På trods af denne idés naturlighed begyndte teorien om netværk alvorligt at analysere klimaet for længe siden. Netværket i en sådan model vil være Jordens overflade, opdelt i afsnit-noder. Men hvordan man tildeler links mellem knudepunkter uden for de nærmeste naboer? Her er det nødvendigt ikke at fantasere, men for at forsøge at forstå, hvad slags fjerne forbindelser virkelig virker i Jordens klima. Det er nødvendigt at indsamle ret store statistiske data om nogle klimaparametre, bygge sin tidsafhængighed for hver knude og derefter forsøge at finde en statistisk pålidelig sammenhæng mellem fjerne knuder. Målet med denne øvelse er at opbygge en ny klimamodel,som sandsynligvis vil forudsige fænomener, der ikke er fanget af konventionelle modeller, og hjælper også med at forklare, hvor fjerne forbindelser fysisk dannes.

Den anden dag i et magasin Fysiske Review Letters En artikel fra israelske forskere er blevet offentliggjort, der giver en god illustration af, hvordan denne tilgang fungerer. Efter at have brudt hele Jorden i knudepunkter på 2,5 ° og brugt temperaturdata for perioden fra 1948 til 2010 fandt de nye mønstre i disse data ved hjælp af statistisk analyse, og efter at have studeret deres rumlige, tidsmæssige og sæsonmæssige tendenser, afsluttede deres mekanisme.

Søg efter fjerne korrelationer

Vi beskriver først den databehandlingsmetode, der blev brugt i artiklen under drøftelse. Jordkloden blev opdelt i 726 områder på ca. 2,5 ° i størrelse, som blev betragtet som netværksknuder, se fig. 1. For hver side er der daglige data om lufttemperatur siden 1948. Fra dem trak forfatterne det klimatiske gennemsnit (gennemsnittet for alle år af temperaturværdien på den dag og i dette knudepunkt). Så for hver knude opnås tidsforløbet af temperaturafvigelser Tjeg(d), som ligner en tilfældigt fluktuerende værdi nær nul (figur 3, a og b).Derefter findes standardafvigelsen, og Tjegd) omberegnes i sine enheder den opnåede værdi betegnes med θjeg(D). I det næste trin tager vi nogle få knuder med afhængigheder θjeg(d) og θj(d) og beregnes ud fra dem korrelation: Xij(τ) = <>jeg(d) θj(d + t)>. Vinkelbeslag angiver gennemsnit over en periode; I arbejdet blev der anvendt to sådanne perioder i hvert år svarende til vinteren og sommeren på den sydlige halvkugle (fra 1. maj til 31. august og fra 1. november til 28. februar). Et eksempel på de opnåede korrelationsgrafer er vist i fig. 3, c.

Fig. 3. Top par (en og b): Data om overfladetemperatur i 1948 minus klimatisk gennemsnit for to netknudepunkter i samme breddegrad, men adskilt af 45 ° længdegrad. (ca) korrelationsfunktionen X (τ), talt for disse knuder; en negativ stigning er mærkbar ved τ = 1 dag. (den verifikationskorrelationsfunktion beregnet for de samme knudepunkter, men med blandede år; Der bør ikke være nogen sammenhæng i denne funktion. Billede fra artiklen under drøftelse

Betydningen af ​​den opnåede værdi er enkel. Hvis to noder svinger helt uafhængigt, så er værdien af ​​Xij(τ) på en eller anden måde oscillerer omkring nul uden skarpe udbrud (figur 3, d).Hvis der i deres svingninger er en vis synkronitet, selvom det er umærkeligt for øjet, så vil der i denne graf blive observeret en positiv eller negativ stigning ved τ = 0. Hvis der er synkronicitet, men med forsinkelse, så vil en sådan bølge forekomme med nonzero τ. Søgningen efter fjerne klimaforhold betyder således opførelsen af ​​værdien af ​​Xij(τ) for alle par tilstrækkeligt fjerne knudepunkter og kontrollere om der er en mærkbar spræng der. Hvis det mødes og overstiger en bestemt tærskelafvigelse, erklæres dette par et klimaforbindelse, positivt eller negativt, afhængigt af tegnet.

Selvfølgelig var der i det overvældende flertal af tilfælde ingen sammenhæng. Det viste sig dog i hundredvis af par noder adskilt af meget lange afstande, nogle gange nåede 10 tusinde km. Og mens der var flere interessante mønstre.

Fig. 4. Afhængigheden af ​​den negative burst på afstanden mellem knuderne til ækvatorial zone og begge halvkugler. arrow De stærkeste negative udbrud i en afstand på 3500 km og 10 tusind km er vist. Billede fra artiklen under drøftelse

For det første blev korrelationer på en afstand på over 1000 km kun observeret i de nordlige og sydlige halvkuglers høje breddegrader, og de var stærkere i det sydlige; intet af arten var synlig i ækvatorialbåndet (se figur 4, selve artiklen indeholder mere detaljerede grafer). For det andet var vekslende positive og negative forbindelser til stede på sådanne afstande. Den første top af den negative falder i en afstand på omkring 3.500 km, den første top af de positive fald på 7.000 km, den anden, svagere top af den negative falder i en afstand på omkring 10 tusinde km. For det tredje var størrelsen af ​​forsinkelsen τ også ret karakteristisk for hver top: ca. 1 dag for den første negative top, 2-3 dage for en positiv top, 3-4 dage for den anden negative. Lagsignalet var klart defineret: de mere østlige punkter svinger senere. For det fjerde fandt forskerne, at de stærkeste bånd er koncentreret i et bredt bælte i den sydlige del af Atlanterhavet og de indiske oceaner (figur 1), og at disse forbindelser intensiveres i sommeren for den sydlige halvkugle.

Alt dette ligner meget på en vis bølgelignende oscillation med en bølgelængde på ca. 7000 km: poengene adskilles med halvdelen af ​​bølgelængden oscillere i antifase, og de adskilt af hele bølgelængden er synkrone.Hastigheden af ​​dette bølgelignende overløb af varme beregnes fra forsinkelsestiden og er ca. 20-30 m / s.

Klimafortolkning af de fundne forhold

Her er det nødvendigt at advare læseren mod alt for retfærdig fortolkning af disse data. Selvfølgelig bærer vejrfronten ofte kun vind, og hvis vinden blæser fra vest til øst, er det kun naturligt at forvente en vis sammenhæng med en forsinkelse på flere dage. Imidlertid vil grafikken i dette tilfælde være helt anderledes. En positiv stigning med en proportional tidsforsinkelse vil blive observeret på alle afstande, og det negative ville næsten ikke være synligt. Og her er situationen slet ikke det samme: positive og negative udbrud intensiveres med vis afstande og alternativt med hinanden. Og mellem dem, halvvejs fra det positive til det negative punkt, er der ingen signifikant korrelation.

Det betyder, at vi ikke kun ser varmeoverførsel over jorden, men netop fjernkommunikation. Over det sydlige Ocean må der være en mekanisme, der selektivt påvirker temperaturen på visse store dele af planeten.

Fig. 5. High-level jetstrømme på vores planet; Rossby s atmosfæriske bølger er svingninger af zigzags af disse strømme. Billede fra en.wikipedia.org

En sådan mekanisme er kendt – disse er globale atmosfæriske svingninger, der kaldes Rossby atmosfæriske bølger (se Rossby bølge) eller planetbølger. Det er kendt, at i høje breddegrader, både i den nordlige og sydlige halvkugle, i en smal strimmel på en højde af ca. 10 km er der en stærk luftstrøm – en jetstrøm. Det binder ikke bare rundt på planeten, men går som en zigzag (figur 5). Amplituden af ​​disse zigzags ændres med tiden, og de selv bevæger sig også gradvist. Disse svingninger er Rossbys atmosfæriske bølger. Denne animation giver en ide om deres dynamik og indflydelse på klimaet.

Dette tyder på en sammenhæng mellem observerede fjerne forbindelser og Rossby bølger, men er det virkelig berettiget? Forfatterne giver flere grunde til dette. Bølgelængde, faserotation, bevægelseshastighed, årstid, geografisk beliggenhed, kontrast mellem den nordlige og sydlige halvkugle og endelig korrelationen med dataene om vindhastigheden i den øvre troposfære – alt dette falder sammen med den forventede effekt af Rossby-bølgerne.

Højtliggende jetstrømme adskiller store celler af atmosfærisk cirkulation og adskiller derfor det kolde polar klima fra det tempererede middelbredde klima. Det er derfor ikke overraskende, at de direkte påvirker vejret i høje breddegrader, især i nord for USA og det sydlige Canada, såvel som i meget af Rusland. Men vejret er en ting, og bæredygtig langsigtet klima fjernkommunikation er en anden. Og det faktum, at i en sådan korrelationsanalyse af hele verdenen viste sig Rossbybølgerne at være den dominerende faktor i dannelsen af ​​langrange korrelationer af overfladetemperatur er en ny kendsgerning for klimatologi.

I princippet er Rossby-bølgerne blevet studeret i lang tid, men de bestemmes hovedsageligt af atmosfærens tilstand i høje højder i den øvre troposfære. Den kendsgerning, at Rossby-bølgerne spiller en vigtig rolle i etableringen af ​​langvarige korrelationer mellem temperatur i overfladelageter også ikke-trivielt. Da dataene på jordtemperaturen er meget mere omfattende og præcise end tilstanden i den øvre troposfære, er der en bekvem måde at overvåge Rossby-bølgens dynamik, også i en tidligere periode.

Generelt viste denne analyse de interessante konklusioner, som brugen af ​​netværksteori i klimavidenskab kan føre til. Denne metode kan anvendes til andre arrays af klimatiske data og se efter eksempler på fjerne links i dem. For eksempel var den samme El Nino i denne analyse umærkelig, men den blev vist i et andet, mindre, men mere detaljeret studie, der blev offentliggjort for flere måneder siden. Denne gruppe har andre publikationer om anvendelsen af ​​netværksteori til søgning efter og undersøgelse af klimamønstre. Etablering af sådanne relationer vil naturligvis ikke give et direkte svar på spørgsmålet om årsagssammenhænge forhold, men det vil i det mindste være nyttigt for at præcisere de fysiske mekanismer, der forårsager dem, samt for at forbedre klimamodellernes forudsigelsesevne.

Kilde: Y. Wang, A. Gozolchiani, Y. Ashkenazy, Y. Berezin, O. Guez og Sh. Havlin. Overordnet Imprint af Rossby Waves i Climate Network // Phys. Rev. Lett. 111, 138501 (2013); Artiklen er frit tilgængelig som e-print. ArXiv: 1304.0946 [physics.ao-ph].

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: