О замедлении потепления в Арктике и о точках перехода
Когда-то в 2000-х, когда полярные льды таяли не по векам, но по годам, а мы с друзьями были еще более юны и горячи, чем сейчас, мы мечтали, как в 2030-м мы летом будем загорать под полуночным солнышком на Шпицбергене, и будет нам тепло и хорошо. Но нашим мечтам вряд ли суждено сбыться в срок. В 2012-м летний минимум площади льдов установил потрясающий рекорд - и он так и остался рекордом. В 2020-м было то, что может сойти за несмелую попытку его побить, да и только.
Не пошло ли там что-то не так? - подумал я, и взялся за анализ данных, как могу)
Вступление.
Площадь морского льда в Арктике в сентябре, с 1979 по 2022 (с) NSIDC
Что вы видите на графике?
Я вижу три этапа - постепенное снижение в XX веке, резкое падение в следующие 10 лет, и новое плато, начиная с 2010-х. Однако этот график площади арктического льда обладает шагом в один год, как и большинство других, которые можно встретить в интернете. Погода в Арктике отличается весьма выраженным сезонным циклом, на то она и Арктика, и сильнейшей изменчивостью в зимние месяцы. Поэтому напрямую можно сравнивать только среднегодовые значения, или величины за один и тот же месяц - например, температуры на метеостанции острова Визе в январях, или площадь льда в сентябрях.
Располагая всего несколькими десятками точек, авторы частенько проводят через них простую прямую линию и утверждают, что так оно и есть. В чем-то их можно оправдать: наблюдения начались не так давно, а делать сложные выводы по нескольким десяткам точек - это несолидно.
Целями сего исследования было определить, можно ли так делать:
-Построить более содержательные и наглядные массивы данных, описывающих динамику площади льда и температур в Арктике,
-Определить, замедлилось ли полярное потепление,
-Если да, то попробовать установить, что случилось раньше и могло являться причиной - таяние льдов или потепление в воздухе.
Результаты чего и представлены далее в вольно-научном стиле "свободный поиск" =) Искали всё, что нашли - то и описываем, но орфография и пунктуация авторская сухой стиль местами размочен и приправлен)
Сим автор утверждает, что исповедует научный подход и был готов к любому результату исследований. Он чистил данные от глюков, но стремился увидеть все закономерности, которые в них есть. Самого автора, как убежденного потеплиста, результаты разочаровывают, но что найдено, то найдено.
Весь код был написан на питоне с использованием библиотек numpy и scipy. Все данные выложены здесь. Далее следует длиннейший лонгрид, а приближенная к структуре исходников на arxiv'е pdf-ка выложена тут. Все картинки кликабельны.
Исходные данные
В качестве исходных данных были взяты площади морского льда в Северном Ледовитом океане, температуры на его островах и береговых локациях, а так же - для сравнения - на метеостанциях в континентальной Арктике и в двух столицах. Полные архивы температур за все периоды наблюдений были скачаны автоматизированным скриптом с сайта pogodaiklimat.ru. По-моему, в процессе они пару раз побанили меня по айпи за ддос, хотя я и закодил рандомные паузы между обращениями и ставил качку на ночь =). Аналогичные данные для площади льда были взяты с сайта NSIDC, где они лежат в открытом доступе единым файлом.
Методы
Подготовка данных
Сначала по полным архивам данных были построены климатограммы - усредненные значения для каждого дня года. Все климатограммы были троекратно сглажены скользящим окном шириной 25 суток. Такая ширина окна сохраняет резкие изменения хода среднесуточной температуры (например, в конце весны, где быстрый рост сменяется постоянной околонулевой температурой), но практически сглаживает зимнюю изменчивость. В начале января, чтобы сохранить непрерывность, в окно добавлялись данные из конца декабря, и наоборот.
Вот, например, как оно было на острове Визе...
...и как стало.
При усреднении скользящим окном, к примеру, сглаженное значение для 15 марта устанавливается равным среднему за период с 10 до 20 марта, для 16-го - с 11 по 21, и так далее, для каждого дня года. Ширина окна здесь составляет 11 суток. При необходимости повторять несколько раз.
Отклонение температур от нормы 1965 - 1985 на острове Голомянный. Прогрессивный эффект от сглаживания, наглядно: циановый - сырые, синий - после двухмесячного окна, зеленый - годового, а желтый и красный - двухлетнего и четырехлетнего.
Затем для каждой даты за весь период наблюдений были посчитаны аномалии - отклонения наблюдаемой температуры от сглаженного среднего. Суточный ход аномалий тоже сглаживался скользящим окном; в дальнейшем анализе были использованы окна шириной два месяца, год, два года и четыре года. На всех графиках и диаграммах указаны значения полуширины - полная ширина в два раза больше. "halfwidth Half-year" - это сглаживание окном шириной в один год!
Аналогичную подготовку прошел и архив суточных данных площади льда, но сглаживание климатограммы было однократным, с окном шириной 5 суток (этого оказалось достаточно).
Только на нашем канале! raw and uncut климатограммы интересных локаций, и даже самой Москвы! Классические и новейшие!
Сглаженные графики суточных рядов аномалий были осмотрены визуально, после чего были выбраны опорные периоды. Для температур использовался период 1965 - 1985 годов, исключающий более теплую середину века и начало потепления в его конце. Данные о площади льда доступны с 1979 года, поэтому опорным периодом стал интервал 1981 - 1994 годов, который включает начало потепления, но заведомо исключает его горячую фазу. После выбора опорных периодов все климатограммы и суточные ряды аномалий были построены заново, после чего началось самое интересное.
Анализ данных
Если потепление непрерывно, данные должна лучше всего описывать двухкусочная линейная модель с изломом в точке начала потепления. До нее кривая аппроксимируется горизонтальной линией, после нее - наклонной. Если же оно замедлилось, то излома должно быть два, в начале и в конце потепления. Горизонталь-наклон-горизонталь, или наклон поменьше - наклон побольше - наклон поменьше. У какой модели будет больше коэффициент годности - та и вернее. В качестве мерила был выбран старый добрый эр-квадрат с учетом числа степеней свободы.
Случайный поиск точек излома то и дело приводил в разные даты - что неудивительно, стоит только посмотреть на графики. Двухмесячное окно оставляет бешеные аномалии в начале осени, когда темературы уже должны падать намного ниже ноля, но их держит незамерзший океан. Годовое скользящее окно сглаживает сезонные колебания и устойчивые погодные аномалии, но оставляет двухлетнюю осцилляцию. Двухлетнее окно оставляет трехлетнюю. Четырехлетнее окно, наконец, делает графики относительно ровными, зато оставляет десятилетнюю осцилляцию во всей ее красе.
Ну так куда?)
После этой пристрелки в туман был произведен ручной поиск оптимумов. Для этого был написан модуль, который передвигает предполагаемые точки излома клавиатурой в игровом режиме (под бодрейший саундтрек из Iszoloscope и t_error 404), и выводит на экран график, его аппроксимацию, и коэффициент ее годности. Кроме того, в нем можно и менять сдвиг, чтобы быстро смещать точки к предполагаемым оптимумам, а затем аккуратно находить их наилучшее положение. Давно я так не гамал.
Глубокая ночь
Этот метод подтвердил, что зависимость коэффициента годности от положения точек перегиба весьма нетривиальна. Поэтому было решено взять быка за рога, устроить ночь горячего счета, и построить полные матрицы коэффициента годности в координатах "Break Point 1 - Break Point 2". А на утро отобразить их на двухмерной диаграмме, в цветовой кодировке по величине КГ, и прикинуть, какой тут вообще ландшафт. Из-за роста вариаций КГ пикирует в ноль уменьшается с сужением окна сглаживания, поэтому он нормировался. Если максимум 0,007, как это бывает на сырых данных - то на него всё и делим.
R2-матрица для температур на острове Визе, сглаживание годовым окном. Тот случай, когда все видно сразу.
Красная точка на диаграмме - максимум, самое лучшее положение точек излома из всего десятка тысяч. Вертикальные светлые полосы - годные положения первой точки излома, а горизонтальные - второй. Если на их пересечении цвет становится еще светлее - это значит, что здесь обе точки хороши.
Если красная точка где-то посередине, значит трехкусочная модель действительно лучше двухкусочной: обе точки излома далеки и друг от друга, и от краёв, где аппроксиматор нередко глючит. Если она на нижнем краю - точки рядом друг с другом, например обе в 1994-м. Это двухкусок, возможно с вертикальной ступенькой между линиями.
Якутск. Точка в начале 1960-х, очевидно, выигрывает.
Удивительно, но вид диаграмм для одной и той же локации оказался одинаковым - независимо от ширины окна усреднения. Разглядеть интересные моменты на самом графике с двухмесячным окном можно только если знать, куда смотреть, а на диаграмме - вот оно! Ширины полос с уменьшением окна тоже уменьшаются (ожидаемо), поэтому для визуального подтверждения максимумов, а так же поиска и осмотра интересных областей, были использованы диаграммы по годовому и двухмесячному окну.
Диаграммы для метеостанций в Карском море сразу выдали две точки излома - около 2003 и 2011. В остальных локациях все было не так просто, но на многих из них в той же области виднелись размытые светлые пятна, намекающие на вторичные максимумы. Для их поиска были построены r-матрицы, обрезанные по первой точке перехода в интервале 1995 - 2010, а второй - не ранее трех лет от первой и не позднее 2017 года. Это оставляет довольно широкий выбор расположения точек излома, и все же в довольно многих локациях они были найдены именно в начале 2000-х и на рубеже 2010-х.
Вот, например, в Хатанге упорно выставляет максимум на 2004 и 2010. Но видно, что с краю, где обе точки в 2004 - тоже хорошо.
А в Верхоянске точка как была с краю, так там и остается - подлинный максимум, очевидно, отвечает breakpoint 1 == break point 2. На самом графике аномалий на это и похоже, хотя тут важно не увидеть желаемое в действительном =)
Далее по найденным точкам изломов были построены графики, демонстрирующие двух- и трёхкусочные аппроксимации, их параметры, и сами данные.
Лёд. Очевиднее некуда!!
Дичь на острове Голомянном.
Поселок Диксон. На глаз - не очевидно, а аппроксимация выводит те же точки излома, что и в Карском море. К этому мы еще вернемся - график явно красивее, чем для Голомянного, но скорее всего, истину отражает не совсем. Приглядитесь к ступеньке в 2004-м.
Восточнее дата начала движухи смещается влево. Остров Котельный. Красота!
Остров Врангеля. Ступенька и расколбас.
Обсуждение
Здесь уже можно делать первые выводы.
В Карском море потепление точно замедлилось. Тормознуло и таяние льда - это тоже несомненно. Восток - дело тонкое. Там тоже похоже на ступеньку и замедление, но детали - совсем другие. Сначала, в 2001, скакнуло на востоке, примерно тогда же начала снижаться площадь льда. В 2004-м пошла жара в Карском море. Скачок на востоке закончился где в 2007-м, а где - чуть ли не в 2010-м или в 2002-м. Площадь льда вышла из пике в 2006-2007, а дальнейшие рекорды - это отклонения из-за возросшей изменчивости.
Раз аппроксимация не всегда точна, попробуем присмотреться к графикам.
Вторая точка излома температур на острове Голомянный, со сглаживанием в год и больше, ложится на 2011, потому что там самый сглаженный из графиков выходит на горизонталь. Но аппроксимация по сильно отглаженным данным не ловит острые и узкие максимумы. А менее причесанные данные показывают нам другое. На годовом окне (зеленая линия) видны мощные четырехлетние осцилляции, минимумы и максимумы которых находятся почти на одном и том же уровне. На двухмесячном видно, что долгие холодные аномалии после 2005 как ножом отрезало. Перед ступенькой до нескольких раз в десятилетие бывало холоднее нормы на 5 градусов, и держалось там не меньше пары месяцев подряд. Последней такой аномалией была зима 2003-2004, а в течение следующих 20 лет морозильник только один раз сумел выдать два градуса ниже нормы.
Зато аномалии на 0...-2 градуса теперь случаются так же часто, как -5...-7 до того. Как будто часть графика просто взяли и передвинули на несколько градусов вверх, создав почти вертикальную ступеньку в 2004.
И на двухмесячном окне аппроксимация туда ее и ставит!
Та же картина наблюдается не только в Карском регионе, но и на острове Хейса, находящемся намного западнее. В его архивах есть досадный пробел в начале 2000-х, однако видно, что ход аномалий там всегда почти такой же, как и на острове Визе в Карском море.
В Баренцбурге же, наоборот, почти ни намёка, кроме довольно необычной почти вертикальной ступеньки на годовом окне в середине 2004 (к ней мы еще вернемся). Трехкусочная аппроксимация неубедительна. КГ у нее чуть побольше, но поправка на степени свободы почти не вносит вклад при таком количестве точек.
Странно вел себя Гольфстрим, дотянувшийся до Северного Ледовитого океана, если это был он: пришел в окрестности Шпицбергена давно, тихо и незаметно, а в Карское море - рывком и с помпой. Одновременно, с точностью до месяцев, на территории протяженностью больше тысячи километров. Непохоже.
Лёд.
Несглаженный график отклонений площади льда оказывается очень красноречив. С середины 2007 года там явно началась новая жизнь: с огромными сезонными амплитудами, умеренным многолетним снижением, и при этом - все еще довольно высокими зимними максимумами. Заметно ниже, чем в 2006, бывало только с 2015 по 2018. Да-да, и 2023 тоже в этот список не входит.
Аппроксимации рисуют старт падения в середине 2001, но с виду - до 2003 все было по-старому. Умеренный разброс, широкая периодичность, умеренное и чуть ускоряющееся снижение. С 2003 по 2007 колебания были частыми и мелкими, а падение - пикирующим, с главным скачком где-то в 2005. На сырых и сглаженных двухмесячным окном данных в этот период проступает довольно четкая периодичность около 5 месяцев (9 периодов с лета 2003 по весну 2007).
Итак, Большое Таяние точно закончилось в 2007, а началось, вероятнее всего, в 2003. Рекордные летние минимумы случались в годы максимальной сезонной амплитуды, и напомним - последний был в 2012, более 10 лет назад. Зимний максимум в тот год был намного выше, чем в 2006.
При этом, зима 2004 года в Карском регионе была очень холодной, как мы уже отметили выше. Мощные аномалии ранней осени начинаются с 2007, одновременно с началом большого сезонного цикла площади льда - как и должно быть, когда теплая незамерзшая вода греет осенний воздух.
Еще минус балл предположению об атлантификации как движущей силе! Если она и произошла - то началась не раньше 2007.
А что же на Востоке?
Там движуха явно началась раньше всего.
Начало волны в Певеке теряется в тумане, но, похоже к 2003 там все уже закончилось! (как и на острове Врангеля)
На острове Котельном, наоборот, скачок растянулся аж до начала 2010-х. Когда он начался - fit его разберет, но в зиму 2004, что на западе была холодной, он уже шел здесь своим чередом.
Поразительная картина наблюдалась на континентальной метеостанции Илирней, в глубине Чукотки. В целом, в континентальных локациях про скачок потепления можно мало что сказать - то ли он есть, то ли его там нет. Но здесь он не заметен на первый же взгляд только потому, что предваряется чудовищной аномалией до него. Так тепло, как в 1996-1997, там бывало только после потепления, а так холодно, как в 1998-1999, не бывало никогда. Ни до, ни после. И волна потепления начинается прямиком от того исторического минимума. В Певеке, Ванкареме, Анадыре и на Врангеле потепление середины 1990-х тоже было, но в глаза не бросалось.
При этом в Анадыре ступеньку потепления можно углядеть только при большом желании. А взгляд на коэффициенты годности развенчивает парэйдолию. КГ у трёхкусочной побольше, но поглядите, куда и как она ставит точки! Если специально искать ступеньки, ограничив расстояние между точками двумя годами - лучше не становится. Настолько, что это мы показывать не будем)
Как это ни удивительно, в своем экстриме Илирней не одинок. Очень похожие, и почти столь же суровые горки наблюдались и в Воркуте за много тысяч километров оттуда.
Сверху Илирней, снизу Воркута.
Как это могло случиться? Загадка. Наверное, ответ как-то связан со стоячими волнами Россби. Корреляции прослеживаются и в другие времена, хотя в середине 2000-х их, вроде бы, поменьше.
И вернемся к той ступеньке в Баренцбурге, на годовом сглаживании, в середине 2004. При внимательном рассмотрении она заметна и на данных Карского региона, причем ее размер всюду одинаков. Вот некоторые из них, со сдвигом на 5 градусов по вертикали. В Тикси, по другую сторону Таймыра, ступенька тоже видна. А на острове Врангеля к тому моменту уже потеплело, и ступеньки - ни следа.
Поскольку это - годовое сглаживание, причины следует искать по сторонам от самой ступеньки По-видимому, они - в холодной зиме в 2004-м и теплой в 2005-м. После нее холодные зимы остались в прошлом и в Баренцбурге, и в Карском регионе. Но средние температуры в Баренцбурге и так были высокими, а восточнее скакнули еще и они, - на несколько градусов.
Как и на предыдущем графике, сдвиг по вертикали составляет 5 градусов, а "нули" - это норма 1965-1985 годов. Три средних графика до ступеньки шли по нулям.
Выводы.
Итак, что же следует из всей этой кучи графиков?? o_O
В начале и середине 2000-х годов арктический климат прошел переходную точку. Новое состояние характеризуется более теплой и изменчивой погодой и меньшей площадью льдов, и вместе с тем - незначительными или даже близкими к нулю темпами дальнейшего потепления. Центральным событие точки перехода, вероятно, явилось резкое смещение атмосферной циркуляции около 2004 года, которое сильнее всего отразилось в сокращении количества и интенсивности отрицательных аномалий температуры в регионе Карского моря в зимний период.
Темпы сокращения площади льда после точки перехода и до нее с хорошей точностью совпадают друг с другом. В отсутствие новых точек перехода первое достижение Арктики, свободной ото льда (летний минимум 1 млн кв.км.) ожидается около 2080 года, a устойчивое достижение - около 2120. За основу первого прогноза взят выход на средний минимум 2,5 млн кв.км., по наклону -35000 в год, и отклонение на 1,5 млн кв.км. от него
В следующей серии, если она будет, попробую поколдовать над картами ледового покрытия и аномалий температур)
И немного того, что осталось за кадром.
Почему опорные периоды начинаются с 1965. Мыс Челюскин: в середине XX века там тоже было тепло. Этот график хорошо возьмет только четырехкусочная аппроксимация: 1935 - 1955, 1955 - 2004, 2004 - 2011, 2011 - ... .
Уникальные аномалии 1930-х и 1940-х годов в Петербурге.
Аномалия была региональной: графики для Мурманска, Петербурга и Москвы повторяют друг друга. Аномалии были и Якутии, а в других регионах все было гораздо умереннее, или совсем по-другому.
На первый взгляд, аномалия на острове Врангеля в 2007-м не выделяется на фоне последующих. Но все остальные, как и большинство положительных аномалий в Арктике, случились осенью или зимой. А вот первый зубец аномалии-2007 пришелся на лето. Большая площадь острова и отсутствие сильных ветров показали, как арктическая земля может прогреваться даже под августовским солнцем. Именно эта аномалия растопила лед на востоке Ледовитого океана, и стала причиной первого из большой тройки летних минимумов его площади - 2007, 2012 и 2020. Случись то же самое, но в июне и июле - и там действительно можно было бы нежиться на пляже, почти как тропическим летом-2021 году на берегу Финского залива.
То, что вспоминают, когда говорят "верните мне мой 2007-й")
Не пошло ли там что-то не так? - подумал я, и взялся за анализ данных, как могу)
Вступление.
Площадь морского льда в Арктике в сентябре, с 1979 по 2022 (с) NSIDC
Что вы видите на графике?
Я вижу три этапа - постепенное снижение в XX веке, резкое падение в следующие 10 лет, и новое плато, начиная с 2010-х. Однако этот график площади арктического льда обладает шагом в один год, как и большинство других, которые можно встретить в интернете. Погода в Арктике отличается весьма выраженным сезонным циклом, на то она и Арктика, и сильнейшей изменчивостью в зимние месяцы. Поэтому напрямую можно сравнивать только среднегодовые значения, или величины за один и тот же месяц - например, температуры на метеостанции острова Визе в январях, или площадь льда в сентябрях.
Располагая всего несколькими десятками точек, авторы частенько проводят через них простую прямую линию и утверждают, что так оно и есть. В чем-то их можно оправдать: наблюдения начались не так давно, а делать сложные выводы по нескольким десяткам точек - это несолидно.
Целями сего исследования было определить, можно ли так делать:
-Построить более содержательные и наглядные массивы данных, описывающих динамику площади льда и температур в Арктике,
-Определить, замедлилось ли полярное потепление,
-Если да, то попробовать установить, что случилось раньше и могло являться причиной - таяние льдов или потепление в воздухе.
Результаты чего и представлены далее в вольно-научном стиле "свободный поиск" =) Искали всё, что нашли - то и описываем, но орфография и пунктуация авторская сухой стиль местами размочен и приправлен)
Сим автор утверждает, что исповедует научный подход и был готов к любому результату исследований. Он чистил данные от глюков, но стремился увидеть все закономерности, которые в них есть. Самого автора, как убежденного потеплиста, результаты разочаровывают, но что найдено, то найдено.
Весь код был написан на питоне с использованием библиотек numpy и scipy. Все данные выложены здесь. Далее следует длиннейший лонгрид, а приближенная к структуре исходников на arxiv'е pdf-ка выложена тут. Все картинки кликабельны.
Исходные данные
В качестве исходных данных были взяты площади морского льда в Северном Ледовитом океане, температуры на его островах и береговых локациях, а так же - для сравнения - на метеостанциях в континентальной Арктике и в двух столицах. Полные архивы температур за все периоды наблюдений были скачаны автоматизированным скриптом с сайта pogodaiklimat.ru. По-моему, в процессе они пару раз побанили меня по айпи за ддос, хотя я и закодил рандомные паузы между обращениями и ставил качку на ночь =). Аналогичные данные для площади льда были взяты с сайта NSIDC, где они лежат в открытом доступе единым файлом.
Методы
Подготовка данных
Сначала по полным архивам данных были построены климатограммы - усредненные значения для каждого дня года. Все климатограммы были троекратно сглажены скользящим окном шириной 25 суток. Такая ширина окна сохраняет резкие изменения хода среднесуточной температуры (например, в конце весны, где быстрый рост сменяется постоянной околонулевой температурой), но практически сглаживает зимнюю изменчивость. В начале января, чтобы сохранить непрерывность, в окно добавлялись данные из конца декабря, и наоборот.
Вот, например, как оно было на острове Визе...
...и как стало.
При усреднении скользящим окном, к примеру, сглаженное значение для 15 марта устанавливается равным среднему за период с 10 до 20 марта, для 16-го - с 11 по 21, и так далее, для каждого дня года. Ширина окна здесь составляет 11 суток. При необходимости повторять несколько раз.
Отклонение температур от нормы 1965 - 1985 на острове Голомянный. Прогрессивный эффект от сглаживания, наглядно: циановый - сырые, синий - после двухмесячного окна, зеленый - годового, а желтый и красный - двухлетнего и четырехлетнего.
Затем для каждой даты за весь период наблюдений были посчитаны аномалии - отклонения наблюдаемой температуры от сглаженного среднего. Суточный ход аномалий тоже сглаживался скользящим окном; в дальнейшем анализе были использованы окна шириной два месяца, год, два года и четыре года. На всех графиках и диаграммах указаны значения полуширины - полная ширина в два раза больше. "halfwidth Half-year" - это сглаживание окном шириной в один год!
Аналогичную подготовку прошел и архив суточных данных площади льда, но сглаживание климатограммы было однократным, с окном шириной 5 суток (этого оказалось достаточно).
Только на нашем канале! raw and uncut климатограммы интересных локаций, и даже самой Москвы! Классические и новейшие!
Сглаженные графики суточных рядов аномалий были осмотрены визуально, после чего были выбраны опорные периоды. Для температур использовался период 1965 - 1985 годов, исключающий более теплую середину века и начало потепления в его конце. Данные о площади льда доступны с 1979 года, поэтому опорным периодом стал интервал 1981 - 1994 годов, который включает начало потепления, но заведомо исключает его горячую фазу. После выбора опорных периодов все климатограммы и суточные ряды аномалий были построены заново, после чего началось самое интересное.
Анализ данных
Если потепление непрерывно, данные должна лучше всего описывать двухкусочная линейная модель с изломом в точке начала потепления. До нее кривая аппроксимируется горизонтальной линией, после нее - наклонной. Если же оно замедлилось, то излома должно быть два, в начале и в конце потепления. Горизонталь-наклон-горизонталь, или наклон поменьше - наклон побольше - наклон поменьше. У какой модели будет больше коэффициент годности - та и вернее. В качестве мерила был выбран старый добрый эр-квадрат с учетом числа степеней свободы.
Случайный поиск точек излома то и дело приводил в разные даты - что неудивительно, стоит только посмотреть на графики. Двухмесячное окно оставляет бешеные аномалии в начале осени, когда темературы уже должны падать намного ниже ноля, но их держит незамерзший океан. Годовое скользящее окно сглаживает сезонные колебания и устойчивые погодные аномалии, но оставляет двухлетнюю осцилляцию. Двухлетнее окно оставляет трехлетнюю. Четырехлетнее окно, наконец, делает графики относительно ровными, зато оставляет десятилетнюю осцилляцию во всей ее красе.
Ну так куда?)
После этой пристрелки в туман был произведен ручной поиск оптимумов. Для этого был написан модуль, который передвигает предполагаемые точки излома клавиатурой в игровом режиме (под бодрейший саундтрек из Iszoloscope и t_error 404), и выводит на экран график, его аппроксимацию, и коэффициент ее годности. Кроме того, в нем можно и менять сдвиг, чтобы быстро смещать точки к предполагаемым оптимумам, а затем аккуратно находить их наилучшее положение. Давно я так не гамал.
Глубокая ночь
Этот метод подтвердил, что зависимость коэффициента годности от положения точек перегиба весьма нетривиальна. Поэтому было решено взять быка за рога, устроить ночь горячего счета, и построить полные матрицы коэффициента годности в координатах "Break Point 1 - Break Point 2". А на утро отобразить их на двухмерной диаграмме, в цветовой кодировке по величине КГ, и прикинуть, какой тут вообще ландшафт. Из-за роста вариаций КГ пикирует в ноль уменьшается с сужением окна сглаживания, поэтому он нормировался. Если максимум 0,007, как это бывает на сырых данных - то на него всё и делим.
R2-матрица для температур на острове Визе, сглаживание годовым окном. Тот случай, когда все видно сразу.
Красная точка на диаграмме - максимум, самое лучшее положение точек излома из всего десятка тысяч. Вертикальные светлые полосы - годные положения первой точки излома, а горизонтальные - второй. Если на их пересечении цвет становится еще светлее - это значит, что здесь обе точки хороши.
Если красная точка где-то посередине, значит трехкусочная модель действительно лучше двухкусочной: обе точки излома далеки и друг от друга, и от краёв, где аппроксиматор нередко глючит. Если она на нижнем краю - точки рядом друг с другом, например обе в 1994-м. Это двухкусок, возможно с вертикальной ступенькой между линиями.
Якутск. Точка в начале 1960-х, очевидно, выигрывает.
Удивительно, но вид диаграмм для одной и той же локации оказался одинаковым - независимо от ширины окна усреднения. Разглядеть интересные моменты на самом графике с двухмесячным окном можно только если знать, куда смотреть, а на диаграмме - вот оно! Ширины полос с уменьшением окна тоже уменьшаются (ожидаемо), поэтому для визуального подтверждения максимумов, а так же поиска и осмотра интересных областей, были использованы диаграммы по годовому и двухмесячному окну.
Диаграммы для метеостанций в Карском море сразу выдали две точки излома - около 2003 и 2011. В остальных локациях все было не так просто, но на многих из них в той же области виднелись размытые светлые пятна, намекающие на вторичные максимумы. Для их поиска были построены r-матрицы, обрезанные по первой точке перехода в интервале 1995 - 2010, а второй - не ранее трех лет от первой и не позднее 2017 года. Это оставляет довольно широкий выбор расположения точек излома, и все же в довольно многих локациях они были найдены именно в начале 2000-х и на рубеже 2010-х.
Вот, например, в Хатанге упорно выставляет максимум на 2004 и 2010. Но видно, что с краю, где обе точки в 2004 - тоже хорошо.
А в Верхоянске точка как была с краю, так там и остается - подлинный максимум, очевидно, отвечает breakpoint 1 == break point 2. На самом графике аномалий на это и похоже, хотя тут важно не увидеть желаемое в действительном =)
Далее по найденным точкам изломов были построены графики, демонстрирующие двух- и трёхкусочные аппроксимации, их параметры, и сами данные.
Лёд. Очевиднее некуда!!
Дичь на острове Голомянном.
Поселок Диксон. На глаз - не очевидно, а аппроксимация выводит те же точки излома, что и в Карском море. К этому мы еще вернемся - график явно красивее, чем для Голомянного, но скорее всего, истину отражает не совсем. Приглядитесь к ступеньке в 2004-м.
Восточнее дата начала движухи смещается влево. Остров Котельный. Красота!
Остров Врангеля. Ступенька и расколбас.
Обсуждение
Здесь уже можно делать первые выводы.
В Карском море потепление точно замедлилось. Тормознуло и таяние льда - это тоже несомненно. Восток - дело тонкое. Там тоже похоже на ступеньку и замедление, но детали - совсем другие. Сначала, в 2001, скакнуло на востоке, примерно тогда же начала снижаться площадь льда. В 2004-м пошла жара в Карском море. Скачок на востоке закончился где в 2007-м, а где - чуть ли не в 2010-м или в 2002-м. Площадь льда вышла из пике в 2006-2007, а дальнейшие рекорды - это отклонения из-за возросшей изменчивости.
Раз аппроксимация не всегда точна, попробуем присмотреться к графикам.
Вторая точка излома температур на острове Голомянный, со сглаживанием в год и больше, ложится на 2011, потому что там самый сглаженный из графиков выходит на горизонталь. Но аппроксимация по сильно отглаженным данным не ловит острые и узкие максимумы. А менее причесанные данные показывают нам другое. На годовом окне (зеленая линия) видны мощные четырехлетние осцилляции, минимумы и максимумы которых находятся почти на одном и том же уровне. На двухмесячном видно, что долгие холодные аномалии после 2005 как ножом отрезало. Перед ступенькой до нескольких раз в десятилетие бывало холоднее нормы на 5 градусов, и держалось там не меньше пары месяцев подряд. Последней такой аномалией была зима 2003-2004, а в течение следующих 20 лет морозильник только один раз сумел выдать два градуса ниже нормы.
Зато аномалии на 0...-2 градуса теперь случаются так же часто, как -5...-7 до того. Как будто часть графика просто взяли и передвинули на несколько градусов вверх, создав почти вертикальную ступеньку в 2004.
И на двухмесячном окне аппроксимация туда ее и ставит!
Та же картина наблюдается не только в Карском регионе, но и на острове Хейса, находящемся намного западнее. В его архивах есть досадный пробел в начале 2000-х, однако видно, что ход аномалий там всегда почти такой же, как и на острове Визе в Карском море.
В Баренцбурге же, наоборот, почти ни намёка, кроме довольно необычной почти вертикальной ступеньки на годовом окне в середине 2004 (к ней мы еще вернемся). Трехкусочная аппроксимация неубедительна. КГ у нее чуть побольше, но поправка на степени свободы почти не вносит вклад при таком количестве точек.
Странно вел себя Гольфстрим, дотянувшийся до Северного Ледовитого океана, если это был он: пришел в окрестности Шпицбергена давно, тихо и незаметно, а в Карское море - рывком и с помпой. Одновременно, с точностью до месяцев, на территории протяженностью больше тысячи километров. Непохоже.
Лёд.
Несглаженный график отклонений площади льда оказывается очень красноречив. С середины 2007 года там явно началась новая жизнь: с огромными сезонными амплитудами, умеренным многолетним снижением, и при этом - все еще довольно высокими зимними максимумами. Заметно ниже, чем в 2006, бывало только с 2015 по 2018. Да-да, и 2023 тоже в этот список не входит.
Аппроксимации рисуют старт падения в середине 2001, но с виду - до 2003 все было по-старому. Умеренный разброс, широкая периодичность, умеренное и чуть ускоряющееся снижение. С 2003 по 2007 колебания были частыми и мелкими, а падение - пикирующим, с главным скачком где-то в 2005. На сырых и сглаженных двухмесячным окном данных в этот период проступает довольно четкая периодичность около 5 месяцев (9 периодов с лета 2003 по весну 2007).
Итак, Большое Таяние точно закончилось в 2007, а началось, вероятнее всего, в 2003. Рекордные летние минимумы случались в годы максимальной сезонной амплитуды, и напомним - последний был в 2012, более 10 лет назад. Зимний максимум в тот год был намного выше, чем в 2006.
При этом, зима 2004 года в Карском регионе была очень холодной, как мы уже отметили выше. Мощные аномалии ранней осени начинаются с 2007, одновременно с началом большого сезонного цикла площади льда - как и должно быть, когда теплая незамерзшая вода греет осенний воздух.
Еще минус балл предположению об атлантификации как движущей силе! Если она и произошла - то началась не раньше 2007.
А что же на Востоке?
Там движуха явно началась раньше всего.
Начало волны в Певеке теряется в тумане, но, похоже к 2003 там все уже закончилось! (как и на острове Врангеля)
На острове Котельном, наоборот, скачок растянулся аж до начала 2010-х. Когда он начался - fit его разберет, но в зиму 2004, что на западе была холодной, он уже шел здесь своим чередом.
Поразительная картина наблюдалась на континентальной метеостанции Илирней, в глубине Чукотки. В целом, в континентальных локациях про скачок потепления можно мало что сказать - то ли он есть, то ли его там нет. Но здесь он не заметен на первый же взгляд только потому, что предваряется чудовищной аномалией до него. Так тепло, как в 1996-1997, там бывало только после потепления, а так холодно, как в 1998-1999, не бывало никогда. Ни до, ни после. И волна потепления начинается прямиком от того исторического минимума. В Певеке, Ванкареме, Анадыре и на Врангеле потепление середины 1990-х тоже было, но в глаза не бросалось.
При этом в Анадыре ступеньку потепления можно углядеть только при большом желании. А взгляд на коэффициенты годности развенчивает парэйдолию. КГ у трёхкусочной побольше, но поглядите, куда и как она ставит точки! Если специально искать ступеньки, ограничив расстояние между точками двумя годами - лучше не становится. Настолько, что это мы показывать не будем)
Как это ни удивительно, в своем экстриме Илирней не одинок. Очень похожие, и почти столь же суровые горки наблюдались и в Воркуте за много тысяч километров оттуда.
Сверху Илирней, снизу Воркута.
Как это могло случиться? Загадка. Наверное, ответ как-то связан со стоячими волнами Россби. Корреляции прослеживаются и в другие времена, хотя в середине 2000-х их, вроде бы, поменьше.
И вернемся к той ступеньке в Баренцбурге, на годовом сглаживании, в середине 2004. При внимательном рассмотрении она заметна и на данных Карского региона, причем ее размер всюду одинаков. Вот некоторые из них, со сдвигом на 5 градусов по вертикали. В Тикси, по другую сторону Таймыра, ступенька тоже видна. А на острове Врангеля к тому моменту уже потеплело, и ступеньки - ни следа.
Поскольку это - годовое сглаживание, причины следует искать по сторонам от самой ступеньки По-видимому, они - в холодной зиме в 2004-м и теплой в 2005-м. После нее холодные зимы остались в прошлом и в Баренцбурге, и в Карском регионе. Но средние температуры в Баренцбурге и так были высокими, а восточнее скакнули еще и они, - на несколько градусов.
Как и на предыдущем графике, сдвиг по вертикали составляет 5 градусов, а "нули" - это норма 1965-1985 годов. Три средних графика до ступеньки шли по нулям.
Выводы.
Итак, что же следует из всей этой кучи графиков?? o_O
В начале и середине 2000-х годов арктический климат прошел переходную точку. Новое состояние характеризуется более теплой и изменчивой погодой и меньшей площадью льдов, и вместе с тем - незначительными или даже близкими к нулю темпами дальнейшего потепления. Центральным событие точки перехода, вероятно, явилось резкое смещение атмосферной циркуляции около 2004 года, которое сильнее всего отразилось в сокращении количества и интенсивности отрицательных аномалий температуры в регионе Карского моря в зимний период.
Темпы сокращения площади льда после точки перехода и до нее с хорошей точностью совпадают друг с другом. В отсутствие новых точек перехода первое достижение Арктики, свободной ото льда (летний минимум 1 млн кв.км.) ожидается около 2080 года, a устойчивое достижение - около 2120. За основу первого прогноза взят выход на средний минимум 2,5 млн кв.км., по наклону -35000 в год, и отклонение на 1,5 млн кв.км. от него
В следующей серии, если она будет, попробую поколдовать над картами ледового покрытия и аномалий температур)
И немного того, что осталось за кадром.
Почему опорные периоды начинаются с 1965. Мыс Челюскин: в середине XX века там тоже было тепло. Этот график хорошо возьмет только четырехкусочная аппроксимация: 1935 - 1955, 1955 - 2004, 2004 - 2011, 2011 - ... .
Уникальные аномалии 1930-х и 1940-х годов в Петербурге.
Аномалия была региональной: графики для Мурманска, Петербурга и Москвы повторяют друг друга. Аномалии были и Якутии, а в других регионах все было гораздо умереннее, или совсем по-другому.
На первый взгляд, аномалия на острове Врангеля в 2007-м не выделяется на фоне последующих. Но все остальные, как и большинство положительных аномалий в Арктике, случились осенью или зимой. А вот первый зубец аномалии-2007 пришелся на лето. Большая площадь острова и отсутствие сильных ветров показали, как арктическая земля может прогреваться даже под августовским солнцем. Именно эта аномалия растопила лед на востоке Ледовитого океана, и стала причиной первого из большой тройки летних минимумов его площади - 2007, 2012 и 2020. Случись то же самое, но в июне и июле - и там действительно можно было бы нежиться на пляже, почти как тропическим летом-2021 году на берегу Финского залива.
То, что вспоминают, когда говорят "верните мне мой 2007-й")