Струйный поток — быстротекущая, узкая лента воздуха, расположенная высоко в атмосфере, которая играет ключевую роль в формировании погодных условий по всему миру. Его положение, сила и сезонные сдвиги оказывают глубокое влияние на формирование, интенсивность и изменчивость муссонных систем, особенно в Южной Азии и прилегающих регионах. В то время как общая связь между струйным потоком и муссонами широко признана, сложные механизмы, лежащие в основе этой взаимосвязи, гораздо более сложны. Множественные струйные потоки динамически взаимодействуют с сезонными атмосферными изменениями, океаническими условиями и континентальными моделями нагрева, создавая многогранную систему, которая управляет поведением муссонов. Получение всестороннего понимания этой динамики имеет важное значение для улучшения сезонных прогнозов погоды и разработки долгосрочных стратегий адаптации к климату в регионах, сильно зависящих от муссонных осадков.

Основы реактивного потока

Термин «реактивный поток» в совокупности относится к нескольким узким полосам сильных ветров, расположенных в верхней тропосфере и нижней стратосфере, как правило, на высотах между 9 и 16 километрами. Среди них два основных струйных потока значительно влияют на муссонные модели: полярный струйный поток и субтропический струйный поток . Полярная струя образуется вдоль границы между холодными полярными воздушными массами и более теплым воздухом средней широты, тогда как субтропическая струя развивается вблизи полюсного края клеточной циркуляции Хэдли, где спускается теплый тропический воздух.

И полярные, и субтропические струи обычно текут с запада на восток, но демонстрируют значительные широтные сдвиги в течение года.В течение зимы в Северном полушарии субтропический струй укрепляется и позиционирует себя вблизи 30° с.ш., в то время как полярный струйный реактивный реактивный самолет мигрирует дальше на юг.И наоборот, в летние месяцы оба струи ослабевают и смещаются в сторону полюсов, приближаясь к полюсам.Эта сезонная миграция струйных потоков является фундаментальным фактором, влияющим на сроки и силу наступления и отступления муссонов.

В дополнение к этим, Тропический пасхальный реактивный самолет (TEJ) появляется как критическая особенность в южноазиатской системе муссонов. TEJ - это восточный ветер верхнего уровня, который развивается над Индийским океаном и Южной Азией в летние месяцы, как правило, между 200 и 100 hPa уровнями давления (приблизительно 12-16 км высоты). Это результат интенсивного нагрева Тибетского плато в течение лета и связанного с этим развития системы высокого давления верхнего уровня, известной как Тибетский высокий. Этот струйный поток имеет важное значение в модуляции муссонных осадков путем поддержания расхождения верхнего уровня и поддержки глубокой конвективной активности.

Механизм, стоящий за муссонами

Монсуны характеризуются сезонными разворотами в преобладающих направлениях ветра, обусловленными в первую очередь дифференциальным нагревом суши и океанских поверхностей. В течение бореального лета обширная азиатская суша нагревается быстрее, чем окружающий Индийский океан, создавая значительный градиент давления. Этот градиент притягивает влажный воздух из океана на континент, в результате чего на континент выпадает характерное сильное муссонное количество осадков. В отличие от простого местного морского бриза, муссон представляет собой сложную систему циркуляции планетарного масштаба, на которую влияет смещение положения зоны межтропической конвергенции (ITCZ) и формируется внушительной топографией Гималаев и Тибетского плато.

Струйные потоки влияют на динамику муссонов на нескольких атмосферных уровнях. Субтропический струй весной влияет, когда муссон прибывает над Индией, модулируя ветровые модели верхнего уровня. Как только муссон идет, TEJ поддерживает отток верхнего уровня, необходимый для поддержания энергичной конвекции и осадков. Между тем, полярный струйный поток, хотя и расположен дальше на север, взаимодействует с западными волнениями средней широты, которые иногда проникают в северную Индию и Пакистан, влияя на изменчивость осадков и возникновение экстремальных погодных явлений.

Влияние реактивного потока на начало муссона

Субтропический реактивный поток играет ключевую роль

Начало индийского летнего муссона является хорошо известным метеорологическим событием, обычно отмеченным приходом осадков над южным штатом Керала около 1 июня. Это начало тесно связано с заметным сдвигом в субтропическом струйном потоке. В конце весны субтропический струйный поток ослабевает и мигрирует на север, пересекая гималайский горный хребет. Этот сдвиг на север, известный как «прыжок струйного потока», знаменует собой критическую точку перехода, потому что он удаляет западные ветры верхнего уровня, которые в противном случае подавляют влажный южный поток из Аравийского моря.

Прыжок струйного потока эффективно открывает дверь для влажного воздуха, чтобы подняться над индийским субконтинентом, облегчая начало муссонных дождей. Если субтропический струйный поток остается сильным или задерживается аномально к югу от Гималаев, наступление может быть отложено на несколько недель, что влияет на сельскохозяйственное планирование и управление водными ресурсами. И наоборот, более раннее, чем обычно, отступление струйного потока может вызвать раннее начало муссонов. Сроки и прогрессирование этого сдвига в значительной степени зависят от интенсивности нагрева над Тибетским плато и фазы крупномасштабных колебаний океан-атмосфера, таких как ENSO и Диполь Индийского океана.

Развитие и значение тропического пасхального самолета

После муссонного установления, Тропический пасхальный реактивный самолет (TEJ) становится доминирующей особенностью в верхней тропосфере над Южной Азией. TEJ развивается в ответ на интенсивный тепловой минимум на поверхности над индийским субконтинентом и область высокого давления верхнего уровня над Тибетским плато. Этот верхний уровень восточного струйного потока на запад от западной части Тихого океана, через Юго-Восточную Азию и Индию, простираясь в восточную Африку.

TEJ обычно достигает скорости, превышающей 50 метров в секунду в его ядре, и демонстрирует разветвленную структуру, а не непрерывный единый поток.Его прочность тесно связана с муссонных осадков: прочный TEJ обычно соответствует активной муссоновой фазе, отмеченной обильными осадками и конвективной активностью, тогда как ослабленный TEJ связан с муссонных перерывов или засухи.

TEJ также взаимодействует с Mascarene High, полупостоянной ячейкой высокого давления, расположенной над южным Индийским океаном. Это взаимодействие влияет на кросс-экваториальные структуры потока и модулирует сомалийский струйный поток - низкоуровневый струйный транспорт, который переносит влагу из Индийского океана на индийский субконтинент. Изменения в TEJ могут, таким образом, косвенно влиять на доступность влаги и интенсивность муссонов.

Переменная реактивного потока и ее влияние на колебания муссонов

На изменчивость муссонов, проявляющуюся как на внутрисезонных временных масштабах (активные и перерывные периоды в течение сезона), так и на межгодовых масштабах (изменение из года в год), глубоко влияют изменения динамики струйного потока. Различные глобальные и региональные факторы приводят к этой изменчивости, взаимодействуя с поведением струйного потока, чтобы влиять на исходы муссонов.

Эль-Ниньо - Южное колебание (ENSO)

ENSO остаётся наиболее влиятельным режимом межгодовой изменчивости климата, существенно влияя на южноазиатскую муссоновую систему.Во время событий Эль-Ниньо, характеризующихся аномальным потеплением экваториальной части Тихого океана, циркуляция Уокера ослабевает и сдвигается на восток.Это приводит к смещению субтропической струи на север и ослаблению TEJ, что в целом приводит к уменьшению муссонных осадков над Индией.

И наоборот, события Ла-Нинья, отмеченные более прохладными, чем в среднем, температурами поверхности Тихого океана, имеют тенденцию укреплять TEJ и сдвигать субтропический реактивный самолет на юг, увеличивая количество муссонных осадков. Однако эта связь ENSO-муссонов не является детерминированной; примерно половина лет Эль-Ниньо не соответствует условиям засухи из-за сложных взаимодействий с другими климатическими факторами, такими как Диполь Индийского океана.

Физический механизм, лежащий в основе влияния ENSO, включает изменение градиентов температуры поверхности моря между Индийским и Тихим океанами, что ослабляет зональную циркуляцию, питающую TEJ. Ослабленный TEJ уменьшает расхождение верхнего уровня над индийским субконтинентом, подавляя конвекцию и количество осадков.

Диполь Индийского океана (IOD) Влияние

Диполь Индийского океана (ИОД) является ключевым способом межгодовой изменчивости температуры поверхности моря через бассейн Индийского океана. Положительная фаза ИОД характеризуется более теплыми водами в западной части Индийского океана и более прохладными водами вблизи Индонезии. Этот температурный градиент усиливает перекрестный экваториальный поток и сомалийскую струю, усиливая транспорт влаги в Индию и углубляя муссонное корыто.

Положительный МОД может смягчить неблагоприятные последствия Эль-Ниньо на муссон. Например, Эль-Ниньо 2015 года, который мог привести к засухе, совпал с сильным положительным МОД, что привело к почти нормальным муссонных осадков. МОД также влияет на положение и интенсивность субтропической струи над Аравийским морем и Ближним Востоком, дополнительно модулируя динамику муссона.

Декадальные колебания: AMO и PDO

Долгосрочные климатические колебания, такие как Атлантическое многодекадальное колебание (АМО) и Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO), задают фоновые условия для поведения струйного потока и изменчивости муссонов.Теплая фаза АМО была связана с смещением субтропической струи на север и уменьшением количества осадков над Западной Африкой, хотя ее прямое воздействие на южноазиатский муссон менее выражено.

PDO влияет на частоту, интенсивность и продолжительность событий Эль-Ниньо, косвенно влияя на TEJ и муссонный дождь.Понимание того, как эти десятилетние колебания взаимодействуют с динамикой струйного потока, является активной областью исследований с последствиями для долгосрочного прогноза муссонов.

Изменение климата и будущие тенденции реактивного потока

Антропогенное изменение климата уже меняет поведение струйного потока, с ожидаемыми последствиями для изменчивости муссонов. Климатические модели прогнозируют расширение тропиков в сторону полюса, в результате чего субтропический струйный поток сместится дальше на север. Этот сдвиг может задержать прыжок струйного потока весной, потенциально отложив начало муссонов в определенных регионах.

Кроме того, тенденции потепления могут уменьшить тепловой контраст между Индийским океаном и азиатским континентом, ослабляя TEJ в некоторых модельных симуляциях, однако повышенная атмосферная влажность из-за потепления может уравновесить это ослабление, что приводит к более интенсивным и экстремальным событиям осадков в сезон муссонов.

Данные наблюдений за последние пять десятилетий показывают тонкую тенденцию ослабления интенсивности TEJ, согласующуюся с модельными прогнозами. Одновременно полярная струя продемонстрировала повышенную волнистость и стойкость меандров, которые могут продлевать активные и разрывные фазы муссона и увеличивать частоту экстремальных явлений, таких как наводнения и засухи.

Региональные последствия изменчивости реактивного потока на муссоны

Южноазиатский муссон

Южноазиатский муссон является крупнейшей и наиболее важной муссоновой системой в мире, поддерживающей более миллиарда человек благодаря своему влиянию на сельское хозяйство, гидроэнергетику и водоснабжение.Изменчивость поведения струйных потоков напрямую влияет на эти сектора, изменяя сроки, продолжительность и интенсивность муссонных дождей.

Годы, характеризующиеся слабым или неправильно расположенным субтропическим струей, часто испытывают отсроченное начало муссона и сокращенные вегетационные сезоны.Сильные годы TEJ обычно приносят обильные осадки и частые активные периоды, в то время как слабые годы TEJ коррелируют с длительными сухими периодами и засухами, как это было во время сильных засух 2002 и 2009 годов.

Восточноазиатский муссон

Восточноазиатский муссон, воздействующий на такие страны, как Китай, Япония и Корея, управляется в основном взаимодействием между полярным фронтом (ветвь полярного реактивного самолета) и субтропическим реактивным самолетом. Эти взаимодействия порождают фронт Мэй-ю (Китай) или Байу (Япония) - квазистационарную полосу дождя, ответственную за сильные ливни в течение июня и июля.

Изменения в положении и силе этих струй влияют на продолжительность и интенсивность сезона дождей. Например, когда полярная струя аномально смещается на юг, фронт Мэй-ю может затормозить над бассейном реки Янцзы, что приводит к сильным наводнениям, таким как те, которые наблюдались в 1998 и 2020 годах.

Западноафриканский муссон

На западноафриканский муссон влияет африканский пасхальный реактивный поток (AEJ), струйный поток среднего уровня, который образуется над регионом Сахель. AEJ имеет решающее значение для генерации африканских пасхальных волн, которые могут развиться в тропические циклоны в Атлантике.

На силу и широтное положение АЕЕ влияют тропический восточный реактивный самолет и субтропический реактивный самолет над Северной Африкой.Сдвиг на север АЕЕ обычно приводит к увеличению количества осадков в Сахель, в то время как смещение на юг приводит к засухе, такой как те, которые наблюдались в течение 1970-х и 1980-х годов.

Австралийский муссон

Австралийская муссонный система находится под влиянием субтропического струи Южного полушария.В течение австралийских летних месяцев (с декабря по февраль) субтропический струйный мигрирует на юг, позволяя муссоновому корыту углубляться на низких уровнях.Взаимодействие с Madden-Julian Oscillation (MJO), движение на восток тропического атмосферного возмущения, модулируют струйный поток и связаны с всплесками муссонных конвекций и изменчивостью осадков.

Достижения в прогнозировании изменчивости муссонов

Точное сезонное прогнозирование муссонных осадков зависит от эффективного моделирования сопряженных взаимодействий между океаном, атмосферой и поверхностью суши, с особым акцентом на динамику струйного потока. Ведущие метеорологические центры, такие как Центр прогнозирования климата NOAA и Метеорологическое бюро Великобритании , используют динамические климатические модели, способные разрешать струйные потоки на нескольких атмосферных уровнях.

Тем не менее, модельные предубеждения остаются, особенно в представлении точной силы и широты субтропической струи и TEJ, которые продолжают быть основным источником неопределенности прогноза.Для дополнения динамических подходов статистические модели, включающие климатические индексы, такие как ENSO, IOD и широта субтропической струи, использовались в течение десятилетий для улучшения навыков прогнозирования.

Недавние исследования подчеркнули прогнозный потенциал TEJ. Например, весенняя аномалия в зональном ветре при 200 hPa над тропическим Индийским океаном может обеспечить 2-3-месячное время для прогнозирования последующей силы муссонов. Кроме того, интеграция методов машинного обучения предлагает многообещающие возможности для улучшения прогнозов муссонов путем объединения данных струйного потока с другими моделями телесвязи.

Межправительственная группа экспертов по изменению климата подчеркивает, что улучшенное моделирование ветров в верхних слоях тропосферы, включая струйные потоки, является приоритетом для разработки климатических моделей следующего поколения, которые будут иметь решающее значение для надежных прогнозов изменений муссонов в будущих климатических сценариях.

Заключение

Струйный поток является неотъемлемой частью формирования, возникновения и изменчивости муссонных систем во всем мире. Благодаря сезонным миграциям и взаимодействиям с региональными циркуляциями субтропический струйный и тропический пасхальный реактивный организуют время и интенсивность муссонных дождей, которые поддерживают миллиарды людей и поддерживают жизненно важные экосистемы. Понимание сложного взаимодействия между струйными потоками, океаническими колебаниями и континентальным нагревом необходимо для улучшения прогнозов муссонов и подготовки к проблемам, связанным с изменением климата. По мере улучшения результатов исследований и климатических моделей, включение детальной динамики струйного потока останется центральным для точного прогнозирования поведения муссонов и смягчения социальных и экономических последствий изменчивости муссонов.