Экваториальная часть Тихого океана — это гораздо больше, чем просто теплое пространство воды, охватывающее экватор. Его уникальная физическая география — охватывающая одну треть окружности Земли — действует как двигательная комната глобального климата. От глубоких траншей западного бассейна до зон подъема на востоке батиметрия региона, текущие системы и тепловая структура организуют наиболее значительные естественные климатические колебания на планете: Эль-Ниньо — Южное колебание (ENSO). Понимание физических особенностей этой обширной области имеет важное значение для понимания того, как аномалии температуры поверхности моря могут изменить модели осадков, усилить штормы и изменить экосистемы на каждом континенте.

Уникальность экваториальной части Тихого океана

В отличие от других океанских бассейнов, экваториальная часть Тихого океана ограничена земными массивами, которые направляют и ограничивают его циркуляцию. Индонезийский архипелаг на запад и американские континенты на восток создают полузамкнутый бассейн, где торговые ветры накапливают теплую воду против Азии и позволяют холодной воде подниматься вверх вдоль Южной Америки. Такое сопоставление теплых и холодных бассейнов создает основу для изменчивости климата, которая определяет регион.

Базовая геометрия и батиметрия

Экваториальная часть Тихого океана простирается примерно на 15 000 километров от побережья Колумбии до островов Индонезии. Дно бассейна далеко от однородного. На западной стороне расположен Марианский впадин, самая глубокая точка на Земле на высоте почти 11 000 метров, в то время как восток поднимается до относительно мелких континентальных шельфов. Эти изменения глубины влияют на пути глубоких течений и смешивания водных масс. Подводные хребты и подводные горы могут отклонять потоки, создавая вихри, которые переносят тепло и питательные вещества. Общая форма бассейна - шириной на западе, сужаясь к востоку - влияет на то, как накапливается теплая вода и как холодная вода тянет на поверхность.

Теплый бассейн и холодный язык

Одной из наиболее ярких особенностей является Западно-Тихоокеанский теплый бассейн, область поверхностных вод, постоянно превышающая 28 ° C, которая служит основным источником тепла для глобальной атмосферы. Этот бассейн охватывает морской континент и простирается на восток в центральную часть Тихого океана. Напротив, восточная экваториальная часть Тихого океана имеет холодный язык [[FLT: 0]] — полосу относительно более прохладной воды, которая простирается от Галапагосских островов на запад вдоль экватора. Этот холодный язык поддерживается подъёмом глубокой, богатой питательными веществами воды, движимой торговыми ветрами. Разница температур между теплым бассейном и холодным языком может превышать 5 ° C, создавая сильный градиент восток-запад, который питает циркуляцию Уокера.

Основные океанские течения

Экваториальная часть Тихого океана пересекается множеством мощных течений, которые перераспределяют тепло и импульс. Поверхностный Южный экваториальный ток (SEC) течет на запад вблизи экватора, приводимый в движение юго-восточными торговыми ветрами. Ниже него экваториальный подводный ток (EUC) движется на восток вдоль термоклина, неся прохладную, богатую кислородом воду с запада в сторону Галапагосских островов. В северном полушарии северный экваториальный ток (NEC) течет на запад, в то время как северный экваториальный встречный ток (NECC) течет на восток между 5°N и 10°N. Эти токи взаимодействуют с торговыми ветрами и вращением Земли, чтобы установить градиент температуры поверхности моря, который определяет ENSO.

Взаимодействие этих течений чувствительно к ветровому стрессу. Во время слабых фаз торгового ветра EUC может замедляться или даже поворачиваться вспять, что приводит к более теплым поверхностным условиям на востоке - предшественнику Эль-Ниньо. Во время сильных торговых ветров EUC усиливает, усиливая подъем и охлаждение восточной части Тихого океана - признаки Ла-Нинья.

Термоклинная структура и апвеллинг

Термоклиния — узкий слой, отделяющий теплую поверхностные воды от холодной глубокой воды — резко наклонена по экваториальной части Тихого океана. На западе термоклина лежит около 150—200 метров глубиной; на востоке она поднимается до 20—50 метров глубиной. Этот наклон поддерживается распространением теплой воды на запад и градиентом давления на восток. Неглубокий термоклин на востоке позволяет даже скромному ветродвижению подниматься вверх, чтобы доставить холодную воду на поверхность, в то время как глубокий термоклин на западе подавляет такой подъем. Поэтому восточная экваториальная часть Тихого океана гораздо более чувствительна к изменениям силы ветра. Небольшое ослабление торговых ветров может подавить подъем, что приводит к аномальному потеплению, которое определяет Эль-Ниньо.

Взаимодействие океана и атмосферы, определяющее изменчивость климата

Физическая география экваториальной части Тихого океана непосредственно регулирует механизмы обратной связи, которые производят изменчивость климата. Наиболее важным из них является связь между температурой океана и атмосферной циркуляцией - сердцем системы ENSO.

Циркуляции Уокера

В нормальных условиях температурный градиент восток-запад через экваториальную часть Тихого океана приводит к крупномасштабной атмосферной опрокидывающей ячейке, известной как циркуляция Уокера. Теплый воздух поднимается над индонезийским теплым бассейном, производя сильные дожди и высвобождая скрытое тепло, которое питает ветры верхнего уровня. Эти ветры движутся на восток, затем опускаются над более прохладной восточной частью Тихого океана, усиливая поверхностные торговые ветры, которые дуют с востока на запад. Циркуляция Уокера таким образом устанавливает самоподдерживающуюся петлю: сильные торговые ветры поддерживают теплый бассейн на западе и холодный язык на востоке, который, в свою очередь, поддерживает градиент атмосферного давления, который управляет торговыми ветрами.

Когда этот баланс нарушается, климатическая система может переключаться в состояние Эль-Ниньо или Ла-Нинья. Например, западный ветер, прорвавшийся над западной частью Тихого океана, может ослабить торговые ветры, заставляя теплый бассейн выплескиваться на восток. Это уменьшает градиент температуры восток-запад, ослабляет циркуляцию Уокера и еще больше подавляет торговые ветры — положительная обратная связь, которая усиливает начальное возмущение.

Эль-Ниньо и Ла-Нинья Динамика

События Эль-Ниньо характеризуются аномально теплыми температурами поверхности моря в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана. Во время канонического Эль-Ниньо термоклина уплощается, холодный язык отступает, а теплый бассейн простирается, чтобы покрыть большую часть экватора. Сдвиг в нагреве изменяет циркуляцию Уокера: повышение движения и осадки движутся на восток, принося наводнения в обычно сухие регионы (например, побережье Перу) и засухи в западную часть Тихого океана (например, Индонезия, Австралия). Ослабленные торговые ветры позволяют теплой воде накапливаться на востоке, еще больше усиливая теплую аномалию.

События Ла-Нинья противоположны: более сильные, чем средние, торговые ветры углубляют термоклину на западе и оттачивают ее на востоке, усиливая холодный язык. Циркуляция Уокера усиливается, с еще более сильным восходящим движением над западной частью Тихого океана и более сильным погружением над востоком. Результатом являются усиленные осадки на западе и подавленные осадки на востоке, часто сопровождающиеся более прохладными глобальными температурами, поскольку океан поглощает больше тепла.

Цикл ENSO: этапы и переходы

ENSO — это не простая двухгосударственная система. Явление включает в себя нейтральную фазу , где условия близки к долгосрочному среднему; теплые события Эль-Ниньо; и прохладные события Ла-Нинья. Переходы между фазами могут быть вызваны океаническими волнами Россби и Кельвина, которые распространяются по бассейну. Например, до Эль-Ниньо волна Кельвина движется на восток вдоль термоклина, углубляя его и снижая эффективность подъема. Эти волны генерируются аномалиями ветра в западной части Тихого океана и могут занять месяцы, чтобы пересечь бассейн — дав синоптикам окно для прогнозирования предстоящих событий.

Периодичность ENSO варьируется от двух до семи лет, но отдельные события могут длиться от девяти месяцев до двух лет.Недавние исследования показывают, что асимметрия между Эль-Ниньо и Ла-Нинья, например, Эль-Ниньо имеет тенденцию быть более сильным, но более коротким, может быть связана с нелинейной реакцией океана на ветровое воздействие и геометрией тихоокеанского бассейна.

Роль теплосодержания океана

Под поверхностью экваториальная часть Тихого океана хранит огромное количество тепла. Теплосодержание верхнего океана (верхние 300 метров) является критическим предиктором развития ENSO. Наращивание теплой воды в западной экваториальной части Тихого океана часто предшествует Эль-Ниньо, поскольку избыточное тепло выделяется на восток, когда пассаты расслабляются. И наоборот, истощение тепла на западе связано с Ла-Нинья. Мониторинг аномалий подземной температуры с использованием массива пришвартованных буев TAO / TRITON стал краеугольным камнем оперативного прогнозирования ENSO (]NOAA PMEL TAO].

Глобальные последствия изменения климата в экваториальной части Тихого океана

Поскольку экваториальная часть Тихого океана является крупнейшим источником межгодовой изменчивости климата на Земле, ее колебания пульсируют по всей планете. Термин телесвязь описывает, как изменение конвекции тропической части Тихого океана может изменить характер циркуляции атмосферы на расстоянии тысяч километров, влияя на температуру, количество осадков и штормовые следы.

Телекоммуникации и экстремальные погодные условия

Во время Эль-Ниньо усиленная конвекция в центральной и восточной части Тихого океана смещает струйный поток и изменяет положение систем высокого и низкого давления.

  • Более влажные, чем обычно, условия вдоль южного яруса Соединенных Штатов (Калифорния - Флорида) и региона Рио-Гранде, часто вызывая наводнения и оползни.
  • Более теплые зимы на севере США и в Канаде из-за смещения полярной струи на юг.
  • Сильная засуха в западной части Тихого океана — в Индонезии, на Филиппинах и в северной Австралии — привела к неурожаю и увеличению риска лесных пожаров.
  • Снижение активности атлантических ураганов, поскольку более сильные ветры верхнего уровня в Атлантике сдвигают друг друга, развивая штормы.

Ла-Нинья приносит противоположные тенденции: увеличение количества осадков в западной части Тихого океана, более сухие условия в южных Соединенных Штатах и более активные сезоны ураганов в Атлантике. Ла-Нинья 2020-2021 годов способствовала рекордному сезону ураганов в Атлантике, с 30 названными штормами (]NOAA Climate.gov].

За пределами Америки ENSO влияет на индийский муссон, африканские режимы осадков и даже частоту сбоев полярного вихря.Сильный Эль-Ниньо 2015–2016 годов был связан с экстремальной жарой и засухой в Юго-Восточной Азии, наводнениями в Южной Америке и обесцвечиванием кораллов в Тихом океане.

Влияние на морские экосистемы и рыболовство

Физические изменения в экваториальной части Тихого океана имеют глубокие биологические последствия. Обитание вдоль побережья Перу и Эквадора обычно обеспечивает холодную, богатую питательными веществами воду, которая поддерживает одно из самых продуктивных рыбных хозяйств в мире - рыболовство анчовет. Во время Эль-Ниньо подъем ослабевает или закрывается, термоклинания углубляются, а поверхностные воды, истощенные питательными веществами, заменяют холодную воду, богатую питательными веществами. Производительность фитопланктона рушится, а анчоветы либо мигрируют в более глубокие, более прохладные воды, либо страдают от массовой смертности. Экономическое воздействие на Перу, которое в значительной степени зависит от экспорта рыбной муки, может быть серьезным.

Напротив, Ла-Нинья усиливает подъем, повышая первичную продуктивность и улов рыбы, но также увеличивает риск вредного цветения водорослей и истощенных кислородом мертвых зон, поскольку чрезмерный распад биомассы. Коралловые рифы через экваториальную часть Тихого океана также страдают во время Эль-Ниньо, поскольку длительные высокие температуры вызывают широко распространенное отбеливание. Эль-Ниньо 1997-1998 годов убил приблизительно 16% коралловых рифов в мире, с самыми серьезными воздействиями в Индийском океане и центральной части Тихого океана.

Экономические и социальные последствия

Экономические потери от событий ENSO ошеломляют. Исследование 2017 года показало, что Эль-Ниньо в 1997-1998 годах нанес глобальный ущерб примерно на 35-45 миллиардов долларов, в то время как событие 2015-2016 годов, возможно, было еще более дорогостоящим. Сельское хозяйство, гидроэнергетика, транспорт (например, уровень воды в Панамском канале) и общественное здравоохранение все чувствуют последствия. Засухи приводят к нехватке продовольствия и нормированию воды; наводнения разрушают инфраструктуру и распространяют болезни, передаваемые через воду. Улучшенное прогнозирование позволило правительствам подготовиться, но сам масштаб изменения означает, что крупные события по-прежнему накладывают большие расходы.

Мониторинг и прогнозирование экваториальной части Тихого океана

Учитывая далеко идущие последствия изменчивости экваториальной части Тихого океана, устойчивые наблюдательные сети и передовые климатические модели имеют важное значение для раннего предупреждения и смягчения рисков.

Наблюдающие системы

Основой оперативного мониторинга является массив пришвартованных буев Тропического океана (TAO), в настоящее время сеть TAO / TRITON, простирающаяся от 137 ° E до 95 ° W вдоль экватора. Эти буи измеряют поверхностные ветры, температуру воздуха, температуру поверхности моря и температуру подповерхности до 500 метров, предоставляя данные в реальном времени о состоянии термоклина и текущей структуры. Спутниковые миссии, такие как серия альтиметров Джейсона, измеряют высоту поверхности моря, которая тесно коррелирует с теплосодержанием океана. Вместе эти наблюдения позволяют ученым отслеживать эволюцию теплых и холодных аномалий с замечательной точностью (] Портал уровня моря НАСА .

Климатические модели и прогнозы ENSO

Численные климатические модели имитируют связанную систему океан-атмосфера и используются для прогнозирования условий ENSO на шесть-двенадцать месяцев вперед. Североамериканский мультимодельный ансамбль (NMME) объединяет результаты нескольких моделей для создания консенсус-прогноза, который стал ключевым инструментом для лиц, принимающих решения в сельском хозяйстве, управлении водными ресурсами и готовности к стихийным бедствиям. Навыки прогнозирования являются самыми высокими во время весеннего барьера предсказуемости, но улучшения в ассимиляции данных и разрешении модели продлили время выполнения заказа.

Недавние достижения включают использование машинного обучения для выявления моделей предшественников в температуре поверхности моря и глубине термоклина, потенциально предоставляя более ранние предупреждения. Однако присущая хаотичность климатической системы означает, что идеальное предсказание остается недостижимым. Вероятностные прогнозы - например, «60-процентный шанс развития Эль-Ниньо осенью» - являются стандартом.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на прогресс, остаются важные вопросы о том, как изменение климата изменит экваториальную динамику Тихого океана. Большинство климатических моделей прогнозируют ослабление циркуляции Уокера и сглаживание термоклина при тепличном потеплении, что может сместить среднее состояние в сторону более Эль-Ниньо-подобных условий. Тем не менее, реакция амплитуды и частоты ENSO неопределенна, с различными моделями, показывающими противоречивые тенденции. Наблюдения показывают тенденцию к более сильным Эль-Ниньо событий в последние десятилетия, но естественная изменчивость все еще доминирует. Взаимодействие между долгосрочным потеплением и ENSO будет одним из самых важных научных границ в ближайшие годы (]IPCC AR6 Глава 9 .

Лучшее понимание роли Индонезийского потока, глубокого опрокидывания циркуляции и поглощения океанской жары в масштабе бассейна улучшит прогнозы. Устойчивые инвестиции в системы наблюдения, особенно в западной части Тихого океана, где данные редки, имеют решающее значение. Поскольку экваториальная часть Тихого океана продолжает влиять на судьбу миллиардов людей, императив контролировать, понимать и предвидеть ее изменчивость никогда не был больше.