Teori rangkaian mendedahkan sambungan global di dalam iklim Bumi • Igor Ivanov • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik, Iklim

Teori Rangkaian Mengenalpasti Sambungan Global dalam Iklim Bumi

Rajah. 1. Rangkaian iklim digunakan untuk mencari hubungan iklim jarak jauh dalam data suhu permukaan. Sambungan paling kuat dijumpai di rantau Lautan Selatan dan dihubungkan, nampaknya, dengan fenomena atmosfera ketinggian tinggi – gelombang Rossby. Pada kad dengan warna menunjukkan kawasan dengan jumlah keluar yang berlainan (di sebelah kiri) dan masuk (di sebelah kanana) sambungan iklim. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Telah diketahui bahawa dalam data iklim ada korelasi yang stabil di antara kawasan yang sangat jauh dari permukaan bumi, dan alasannya tidak selalu jelas. Penggunaan teori rangkaian untuk analisis suhu permukaan menunjukkan kehadiran korelasi berkala di Hemisfera Selatan, semua sifatnya berkumpul dengan gelombang Rossby atmosfera. Penubuhan pautan semacam itu akan membantu dengan baik untuk model iklim tradisional.

Iklim sebagai sistem yang kompleks

Iklim bumi adalah sistem dinamik yang jarang berlaku. Bahkan konsep "kerumitan" yang diterapkan pada iklim menjadi beragam.

Iklim adalah rumit terutamanya kerana proses dari pelbagai bidang sains semulajadi berlaku di dalamnya atau dipengaruhi olehnya: dinamika atmosfera,lautan dan glasier, proses biologi (vegetasi, aktiviti biologi di laut), proses fizikal dan kimia di atmosfera (mempengaruhi penutup awan), faktor geografi dan geologi, kesan astrofizikal (kitaran Milankovitch, kesan sinar kosmik, aktiviti solar) Akhirnya, beban antropogenik pada iklim. Akibatnya, iklim ditentukan dan mempengaruhi banyak parameter yang diukur, dari segi fizikal (suhu, kelembapan, angin, komposisi atmosfer, dan sebagainya) kepada biologi (contohnya, perubahan dalam pelbagai taburan haiwan dan tumbuh-tumbuhan).

Iklim ini juga rumit kerana undang-undang semula jadi sendiri yang mengawal proses ini "menimbun". Malah di kawasan-kawasan di mana banyak yang datang ke matematik tulen, mengatakan dalam dinamik atmosfera, persamaan adalah rumit, dan penyelesaiannya lebih rumit. Dan perkara di sini tidak begitu banyak kekacauan yang timbul dalam keputusan ini; pada akhirnya, jika ternyata bahawa nilai berubah sepenuhnya tidak dapat diprediksi, ia akan menjadi separuh buruk. Kesukaran di sini adalah bahawa dalam pembolehubah iklim terdapat unsur yang tidak dapat diramalkan,dan corak yang stabil, dan mereka saling berkaitan.

Akhirnya, iklimnya rumit disebabkan oleh fakta bahawa proses yang berlaku di dalamnya multiscale. Sebagai contoh, di Atlantik Utara sahaja, iklimnya untuk sebab-sebab sejarah yang nyata dikaji secara terperinci, terdapat juga perubahan bermusim yang jelas, Angin Atlantik Utara (lihat ombak Atlantik Utara) – turun naik atmosfera iklim pada skala dari beberapa hari hingga beberapa tahun, dan Awan berayun pelbagai dekad (lihat ombak multidecadal Atlantik) – perubahan dalam suhu tahunan purata di lapisan permukaan lautan berhampiran dengan tempoh berpuluh-puluh tahun, dan, nampaknya, turun naik berabad-abad lamanya.

Kerumitan yang sama diperhatikan pada skala spatial: proses adalah serantau, dan berskala besar, dan global. Tetapi hanya di sini terdapat satu lagi keadaan yang mempersulit lagi dinamik iklim. Pada pandangan pertama, nampaknya semulajadi bahawa dalam iklim, kesannya hanya akan ditransmisikan kepada "jiran": perubahan iklim (tidak peduli apa skala) di satu tempat harus mempengaruhi kawasan jiran, mereka – jiran-jiran mereka dan sebagainya di sepanjang rantaian.Pada akhirnya, kita tahu dari pengalaman bahawa beberapa siklon Atlantik pertama datang ke Eropah Barat, kemudian ke Timur, dan kemudian pergi ke Rusia, dan tidak melompat di sekeliling planet sama sekali, muncul di sana sini. Dan jika kita bercakap tentang interaksi antara kawasan jauh di planet ini, maka mekanisme yang menyediakannya mestilah skala global terbesar dan terbesar.

Ternyata ini tidak selalu berlaku. Dalam iklim terdapat korelasi jauh (teleconnections), iaitu, perubahan segerak dalam sesetengah ciri yang relatif padat, tetapi jauh jauh dari setiap kawasan yang lain. Contoh yang paling terkenal adalah pengaruh iklim El Nino global. Fenomena itu sendiri berlaku di dekat khatulistiwa di Lautan Pasifik timur, tetapi ia mempengaruhi wilayah Pasifik terpencil, serta beberapa kawasan lain di planet ini. Satu lagi contoh yang lebih mengagumkan: sebahagian besar daripada semua mineral yang memakan hutan di dataran rendah Amazon, tiba di sana dalam bentuk habuk mineral dari satu tempat yang sangat padat di Sahara, 5,000 kilometer dari Amazonia itu sendiri.Walaupun hubungan yang jauh ini tidak berkaitan secara langsung dengan iklim, namun iklim mempengaruhinya, dan ia sendiri dapat mempengaruhi iklim jika ia pecah.

Teori Rangkaian Digunakan untuk Iklim

Di persimpangan matematik diskret dan analisis data statistik terdapat disiplin yang menarik dipanggil teori rangkaian. Walaupun rumusan yang agak abstrak, ia mendapati banyak aplikasi dalam fenomena semula jadi, dan dalam banyak proses sosial, dari ekonomi ke dinamika orang ramai yang panik. Analisis sistem ini dalam rangka teori rangkaian sering menggunakan kaedah dan bahasa fizik statistik, oleh itu, kertas-kertas itu diterbitkan, antara lain, dalam jurnal fizikal.

Rangkaian adalah satu set nod yang boleh disambungkan ke nod lain melalui sambungan yang mana kuantiti dapat dihantar. Berapa banyak sambungan yang terdapat pada nod, sama ada sambungan diarahkan atau tidak, apa keamatan mereka – semua ini adalah parameter model. Walau bagaimanapun, ia sering lebih penting untuk mencirikan seluruh rangkaian daripada ini, tetapi konsepnya topologi rangkaian, kemudian berapa banyaknya ia berganda (Rajah 2). Satu jenis rangkaian adalah kekisi mudah, di mana nod didistribusikan secara sama rata pada satah dan setiap nod disambungkan hanya dengan beberapa yang paling dekat (hampir semua sistem fizikal jenis ini).Satu lagi jenis adalah sistem dengan hierarki atau clustering yang kuat. Jenis ketiga ialah rangkaian dengan nama bersyarat "Rangkaian dunia kecil". Ini dan banyak rangkaian lain mempunyai dinamik yang berbeza dan rintangan yang berbeza terhadap kerosakan.

Rajah. 2 Contoh rangkaian dengan topologi yang berbeza. Imej dari p2pfoundation.net

Fakta bahawa ciri-ciri iklim tidak hanya "mengalir" di sekitar planet ini, tetapi juga boleh "melompat" dalam jarak jauh, menunjukkan bahawa iklim juga boleh dimodelkan dengan rangkaian dengan topologi yang luar biasa. Walaupun kegawatan idea ini, teori rangkaian mula digunakan secara serius dalam menganalisis iklim tidak lama dahulu. Rangkaian dalam model sedemikian akan menjadi permukaan Bumi, dibahagikan kepada bahagian-nod. Tetapi bagaimana untuk menetapkan hubungan antara nod di luar jiran terdekat? Di sini adalah perlu untuk tidak fantasize, tetapi untuk memahami apa jenis sambungan jauh benar-benar bekerja di iklim Bumi. Ia perlu untuk mengumpul data statistik yang agak besar pada beberapa parameter iklim, membina pergantungan masa untuk setiap node, dan kemudian cuba mencari korelasi yang boleh dipercayai secara statistik antara nod jauh. Matlamat latihan ini adalah untuk membina model iklim baru,yang, mungkin, akan meramalkan fenomena yang tidak terperangkap oleh model konvensional, dan juga membantu untuk menjelaskan bagaimana sambungan jauh dibentuk secara fizikal.

Hari lain dalam majalah Surat Pemeriksaan Fizikal Satu artikel oleh penyelidik Israel telah diterbitkan yang memberikan ilustrasi yang baik tentang bagaimana pendekatan ini berfungsi. Setelah memecahkan seluruh Bumi menjadi nod sebanyak 2.5 ° dan menggunakan data suhu untuk tempoh dari 1948 hingga 2010, mereka menemukan corak baru dalam data ini menggunakan analisis statistik dan, selepas mempelajari arah spatial, temporal dan bermusim mereka, menyimpulkan mekanisme mereka.

Cari korelasi yang jauh

Kami mula-mula menerangkan kaedah pemprosesan data yang digunakan dalam artikel yang dibincangkan. Dunia ini dibahagikan kepada 726 kawasan dengan saiz kira-kira 2.5 °, yang dianggap nod rangkaian, lihat rajah. 1. Bagi setiap tapak, terdapat data harian mengenai suhu udara sejak tahun 1948. Daripada mereka, penulis menolak purata iklim (purata bagi semua tahun nilai suhu pada hari itu dan dalam nod ini). Jadi bagi setiap nod diperolehi tempoh masa penyimpangan suhu Ti(d), yang kelihatan seperti nilai turun naik secara rawak berhampiran sifar (Rajah 3, a dan b).Kemudian sisihan piawai dijumpai, dan Ti(d) dikira semula dalam unitnya; nilai yang diperolehi dilambangkan oleh θi(d) Dalam langkah seterusnya, kita mengambil sepasang nod dengan dependencies θi(d) dan θj(d) dan dikira daripada mereka korelasi: Xij(τ) = <>i(d) θj(d + τ)>. Kurungan sudut menunjukkan purata selama tempoh masa; Dalam kerja-kerja tersebut, dua tempoh tersebut digunakan dalam setiap tahun, bersamaan dengan musim sejuk dan musim panas di Hemisfera Selatan (dari 1 Mei hingga 31 Ogos dan 1 November hingga 28 Februari). Satu contoh graf korelasi yang diperolehi ditunjukkan dalam Rajah. 3, c.

Rajah. 3 Pasangan teratas (a dan b): data pada suhu permukaan untuk tahun 1948 dikurangkan purata iklim bagi dua nod rangkaian pada latitud yang sama, tetapi dipisahkan dengan garis panjang 45 °. (ca) fungsi korelasi X (τ), dikira untuk nod ini; lonjakan negatif dapat dilihat pada τ = 1 hari. (dfungsi korelasi pengesahan yang dikira untuk nod yang sama, tetapi dengan tahun yang digeledah; Tidak sepatutnya tiada korelasi dalam fungsi ini. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Pengertian nilai yang diperoleh adalah mudah. Sekiranya dua nod berfluktuasi sepenuhnya, maka nilai Xij(τ) entah bagaimana berayun sekitar sifar tanpa pecah tajam (Rajah 3, d).Sekiranya dalam turun naik mereka terdapat sinchronicity tertentu, walaupun tidak dapat dilihat pada mata, maka dalam graf ini lonjakan positif atau negatif akan diperhatikan pada τ = 0. Sekiranya ada sinkronisme, tetapi dengan penangguhan, maka lonjakan sedemikian akan terjadi dengan nonzero τ. Oleh itu, mencari hubungan iklim yang jauh bermakna pembinaan nilai Xij(τ) untuk semua pasangan nod yang cukup jauh dan semak sama ada terdapat pecah ketara di sana. Jika ia memenuhi dan melebihi sisihan ambang tertentu, maka pasangan ini diisukan sebagai pautan iklim, positif atau negatif, bergantung kepada tanda.

Sudah tentu, dalam majoriti kes, tiada korelasi yang dilihat. Walau bagaimanapun, ia muncul dalam beratus-ratus pasang nod yang dipisahkan dengan jarak yang sangat panjang, kadang-kadang mencapai 10 ribu km. Dan sementara terdapat beberapa corak menarik.

Rajah. 4 Ketergantungan pecah negatif pada jarak antara nod untuk zon khatulistiwa dan kedua hemisfera. Anak panah pecah negatif terkuat pada jarak 3500 km dan 10 ribu km ditunjukkan. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Pertama, korelasi pada jarak lebih dari 1000 km diperhatikan hanya di lintang tinggi di Belahan Utara dan Selatan, dan mereka lebih kuat di selatan; tiada apa-apa jenis yang boleh dilihat di pinggang khatulistiwa (lihat Rajah 4, artikel itu sendiri mengandungi graf yang lebih terperinci). Kedua, sambungan positif dan negatif bergantian hadir pada jarak sedemikian. Puncak pertama jatuh negatif pada jarak kira-kira 3,500 km, puncak pertama jatuh positif pada 7,000 km, puncak kedua, jatuh negatif jatuh pada jarak kira-kira 10 ribu km. Ketiga, magnitud kelewatan τ juga cukup ciri untuk setiap puncak: kira-kira 1 hari untuk puncak negatif pertama, 2-3 hari untuk puncak positif, 3-4 hari untuk negatif kedua. Tanda lag jelas ditakrifkan dengan jelas: mata-mata timur lebih banyak berubah-ubah kemudian. Keempat, para penyelidik mendapati bahawa hubungan terkuat tertumpu pada tali pinggang yang luas di bahagian selatan Lautan Atlantik dan India (Rajah 1), dan bahawa hubungan ini dipergiatkan pada musim panas untuk Hemisfera Selatan.

Semua ini sangat mirip dengan jenis ombak seperti gelombang dengan panjang gelombang kira-kira 7,000 km: mata yang dipisahkan oleh separuh panjang gelombang berayun di antiphase, dan yang dipisahkan oleh seluruh gelombang panjang adalah segerak.Kelajuan limpahan panas seperti gelombang ini dikira dari masa kelewatan dan adalah kira-kira 20-30 m / s.

Tafsiran klimatologi hubungan yang dijumpai

Di sini adalah perlu untuk memberi amaran kepada pembaca terhadap tafsiran terlalu mudah mengenai data ini. Sudah tentu, permukaan cuaca sering dibawa oleh angin sahaja, dan sekiranya angin bertiup dari barat ke timur, maka ia hanya semulajadi untuk mengharapkan hubungan tertentu dengan kelewatan beberapa hari. Walau bagaimanapun, dalam kes ini, grafik akan sangat berbeza. Lonjakan positif dengan lag masa yang berkadar akan diperhatikan di semua jarak, dan negatif itu hampir tidak kelihatan. Dan di sini keadaan tidak sama: letupan positif dan negatif dipergiatkan tertentu jarak dan saling ganti antara satu sama lain. Dan di antara mereka, separuh dari positif ke titik negatif, tidak ada korelasi yang ketara.

Ini bermakna kita melihat tidak hanya perpindahan haba ke atas planet ini, tetapi tepatnya komunikasi jarak jauh. Lebih dari Lautan Selatan perlu ada beberapa mekanisme yang secara selektif mempengaruhi suhu di beberapa bahagian besar planet ini.

Rajah. 5 Aliran jet tinggi di planet kita; Gelombang atmosfera Rossby adalah ayunan dari zigzags arus ini. Imej dari en.wikipedia.org

Mekanisme sedemikian diketahui – ini adalah ayunan atmosfer global, yang dipanggil gelombang atmosfera Rossby (lihat gelombang Rossby), atau gelombang planet. Adalah diketahui bahawa di latitud tinggi, baik di Belahan Utara dan Selatan, dalam jalur sempit pada ketinggian kira-kira 10 km ada aliran udara yang kuat – aliran jet. Ia bukan sekadar mengelilingi planet ini, tetapi menjadi zigzag (Rajah 5). Amplitud dari zigzag ini berubah dengan masa, dan mereka sendiri juga beralih secara beransur-ansur. Angin ini adalah gelombang atmosfera Rossby. Animasi ini memberi sedikit gambaran mengenai dinamika dan pengaruh mereka terhadap iklim.

Ini menunjukkan persatuan antara sambungan jauh dan Rossby yang diperhatikan, tetapi adakah ia benar? Para penulis memberikan beberapa sebab untuk ini. Panjang gelombang, putaran fasa, kelajuan pergerakan, musim, lokasi geografi, kontras antara hemisfera utara dan selatan dan, akhirnya, korelasi dengan data pada kelajuan angin di troposfer atas – semua ini bertepatan dengan kesan yang diharapkan dari gelombang Rossby.

Arus jet ketinggian tinggi memisahkan sel-sel besar peredaran atmosfera dan, oleh itu, memisahkan iklim kutub sejuk dari iklim latitud tengah sederhana. Oleh itu, tidak menghairankan bahawa mereka secara langsung menjejaskan cuaca di latitud tinggi, terutamanya di utara Amerika Syarikat dan Kanada selatan, dan juga di Rusia. Tetapi cuaca adalah satu perkara, dan komunikasi jarak jauh iklim jangka panjang yang mampan adalah satu lagi. Dan hakikat bahawa dalam analisis korelasi sedalam planet ini, gelombang Rossby menjadi faktor utama dalam pembentukan hubungan panjang suhu permukaan adalah fakta baru untuk klimatologi.

Pada dasarnya, gelombang Rossby telah dipelajari untuk jangka masa yang panjang, tetapi ia terutamanya ditentukan oleh keadaan atmosfera di ketinggian tinggi, di troposfera atas. Fakta bahawa gelombang Rossby memainkan peranan penting dalam mewujudkan korelasi jarak jauh antara suhu di lapisan permukaanjuga tidak remeh. Oleh kerana data pada suhu tanah jauh lebih luas dan tepat daripada keadaan troposfera atas, terdapat cara yang mudah untuk memantau dinamika gelombang Rossby, termasuk dalam tempoh masa yang lebih awal.

Secara umum, analisis ini menunjukkan kesimpulan menarik bahawa penggunaan teori rangkaian dalam sains iklim boleh membawa kepada. Kaedah ini boleh digunakan untuk tatasusunan data iklim lain dan mencari contoh pautan yang jauh di dalamnya. Sebagai contoh, El Nino yang sama dalam analisis ini tidak dapat dilihat, tetapi ia muncul dalam kajian yang lain, lebih kecil, tetapi lebih terperinci, diterbitkan beberapa bulan yang lalu. Kumpulan ini mempunyai penerbitan lain mengenai penerapan teori rangkaian untuk mencari dan mengkaji corak iklim. Mewujudkan hubungan semacam itu, tentu saja, tidak akan memberikan jawapan langsung kepada persoalan hubungan sebab-akibat, tetapi sekurang-kurangnya ia akan berguna untuk menjelaskan mekanisme fizikal yang menyebabkan mereka, serta untuk meningkatkan keupayaan ramalan model iklim.

Sumber: Y. Wang, A. Gozolchiani, Y. Ashkenazy, Y. Berezin, O. Guez, dan Sh. Havlin. Penerbit Dominasi Gelombang Rossby dalam Rangkaian Iklim // Fiz. Wahyu Lett. 111, 138501 (2013); Artikel ini tersedia secara bebas sebagai e-print. ArXiv: 1304.0946 [physics.ao-ph].

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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