Understanding ENSO asymmetry with a reduced stochastic model: deterministic nonlinearity and multiplicative noise
Este estudio emplea un modelo estocástico reducido derivado de observaciones diarias para demostrar que la deriva determinista no lineal, en lugar del ruido dependiente del estado, es el mecanismo principal que impulsa la asimetría de ENSO, un hallazgo que también explica las diferencias intermodelos en las simulaciones de CMIP6 a través de variaciones en el amortiguamiento efectivo de la SST.
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El fenómeno de El Niño-Oscilación del Sur, o ENSO, es un patrón climático natural y masivo que oscila de un lado a otro a través del Océano Pacífico tropical. Es el motor detrás de las variaciones climáticas anuales más significativas del mundo, desplazando los patrones de precipitación, las temperaturas y las trayectorias de las tormentas desde las Américas hacia Asia. En el corazón de este sistema se encuentra un ciclo de retroalimentación simple pero poderoso: cuando el agua superficial en el Pacífico oriental se calienta, debilita los constantes vientos alisios que normalmente soplan de este a oeste. Esos vientos que se debilitan, a su vez, permiten que el agua cálida se extienda aún más hacia el este, creando un ciclo de autorrefuerzo que puede convertirse en un importante evento de El Niño. Por el contrario, cuando el agua se enfría, los vientos se fortalecen, empujando el agua cálida lejos y profundizando el frío. Si bien este ciclo se comprende bien, un misterio persistente ha perdurado durante décadas: las oscilaciones no son iguales. Los eventos cálidos de El Niño tienden a ser mucho más intensos y dramáticos que los eventos fríos de La Niña. La distribución de estos eventos es desequilibrada, ya que el océano es capaz de calentarse hasta grados extremos, pero rara vez se enfría con la misma ferocidad. Los científicos han debatido durante mucho tiempo qué impulsa esta asimetría. ¿Son los estallidos de viento caóticos e impredecibles que golpean al océano, o es algo integrado en la física fundamental de cómo interactúan el océano y la atmósfera?
Un equipo de investigadores ha logrado ahora desentrañar las capas de este misterio observando el sistema con una lente mucho más nítida y rápida que nunca. En lugar de estudiar el océano y la atmósfera mediante instantáneas mensuales, lo que suaviza los cambios rápidos y caóticos, analizaron datos diarios de 1982 a 2019. Construyeron un modelo matemático simplificado que rastrea solo dos variables clave: la temperatura de la superficie del mar en el Pacífico oriental y la fuerza de los vientos en el Pacífico central. Al alimentar este modelo con observaciones diarias del mundo real, pudieron separar las fuerzas predecibles y deterministas del sistema climático de los sacudones aleatorios y ruidosos del clima atmosférico. Su objetivo era ver cuál de estos dos ingredientes —las reglas constantes del sistema o el ruido aleatorio— era el responsable de la naturaleza desequilibrada de El Niño.
Los investigadores descubrieron que la respuesta reside principalmente en las reglas constantes, no en el ruido aleatorio. Cuando redujeron el sistema a su esencia, encontraron que la parte determinista del modelo —la parte que describe cómo el océano y el viento se influyen mutuamente de forma natural— ya contenía las semillas de la asimetría. En su modelo de resolución diaria, la física del sistema favorece naturalmente el crecimiento de los eventos cálidos sobre los fríos. Específicamente, la forma en que el viento responde al agua cálida y la forma en que el agua responde al viento crea una situación en la que las condiciones de vientos cálidos y del oeste se amplifican entre sí de manera más efectiva que sus contrapartes frías y del este. Este sesgo intrínseco significa que, incluso si los estallidos de viento aleatorios que golpean el océano fueran perfectamente simétricos, el sistema seguiría produciendo eventos de El Niño más fuertes que los de La Niña. Los investigadores demostraron que esta no linealidad determinista es el motor dominante de la asimetría, generando por sí sola la distribución desigual observada.
Este hallazgo desafía una teoría popular que había ganado tracción en estudios previos que utilizaban datos mensuales. En esos modelos más gruesos, los estallidos de viento rápidos y caóticos eran tratados a menudo como el principal culpable, con científicos sugiriendo que la aleatoriedad de la atmósfera misma era lo que hacía que los fenómenos de El Niño fueran tan extremos. Sin embargo, al resolver los datos a una escala diaria, este nuevo estudio revela que la "aleatoriedad" estaba en realidad enmascarando una verdad determinista más profunda. El análisis diario mostró que la asimetría está codificada en la estructura misma del sistema acoplado océano-atmósfera. El ruido atmosférico aleatorio sí desempeña un papel, pero es uno secundario. Actúa más como un modificador, aumentando ligeramente las probabilidades de los eventos cálidos más extremos y récord, pero no es la razón principal por la que el sistema es desequilibrado en primer lugar. El desequilibrio central es una característica del drift determinista, la corriente subyacente del sistema que empuja a los eventos cálidos a crecer más rápido y con más fuerza.
Para confirmar que este mecanismo se mantiene más allá de su modelo específico, el equipo aplicó sus hallazgos a un conjunto de veintitrés modelos climáticos diferentes utilizados en las últimas proyecciones climáticas globales. Observaron cómo estas complejas simulaciones por computadora manejaban las interacciones diarias entre la temperatura del mar y el viento. Encontraron que los modelos que producían una distribución desequilibrada más realista de los eventos de El Niño eran aquellos donde el amortiguamiento efectivo de la temperatura de la superficie del mar se comportaba de una manera no lineal específica. En otras palabras, los modelos que lograban acertar con la asimetría eran aquellos donde los "frenos" del sistema funcionaban de forma distinta dependiendo de si el océano se estaba calentando o enfriando. Esta conexión sugiere que la capacidad de un modelo climático para reproducir la asimetría del mundo real depende en gran medida de qué tan bien captura estas sutiles interacciones no lineales en la interacción diaria entre el océano y la atmósfera.
El estudio no pretende afirmar que ha resuelto todos los aspectos de ENSO, ya que el mundo real involucra muchos otros factores como las ondas oceánicas y las interacciones con otros patrones climáticos que no fueron incluidos en este modelo mínimo. Sin embargo, proporciona una explicación mecánica clara para un enigma de larga data. Al pasar de una visión mensual a una diaria, los investigadores pudieron ver que la tendencia del océano a favorecer el calor extremo no es un capricho del clima aleatorio, sino una propiedad fundamental de la dinámica del sistema. La asimetría está integrada en el motor mismo. Esta percepción ofrece una nueva forma de evaluar los modelos climáticos, sugiriendo que, para predecir los cambios futuros en la intensidad de El Niño, los científicos deben centrarse en qué tan bien sus modelos representan estas interacciones diarias y no lineales, en lugar de simplemente intentar ajustar el ruido aleatorio. La naturaleza desequilibrada de El Niño no es un misterio de caos, sino una firma de la propia lógica interna del sistema.
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