Понять Эль-Ниньо и Ла-Нинью

Эль-Ниньо и Ла-Нинья представляют собой две противоположные фазы естественного климатического рисунка, который происходит через тропическую часть Тихого океана. Вместе они образуют цикл Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO), который является доминирующим фактором годичной изменчивости климата на планете. Эти события не просто локализованные изменения температуры океана; они связаны явлениями океан-атмосфера, которые могут изменить глобальные погодные условия, влиять на морские экосистемы и влиять на экономику во всем мире. Понимание фундаментальной науки, стоящей за этими явлениями, имеет важное значение для улучшения сезонных прогнозов и подготовки к широкому спектру последствий, которые они приносят.

Термин «Эль-Ниньо» первоначально относился к теплому южному течению, которое появилось у побережья Перу около Рождества. Со временем ученые признали, что это локальное потепление было частью гораздо большего, в масштабах бассейна колебания температуры поверхности моря и атмосферного давления. Противоположная фаза, Ла-Нинья, была идентифицирована позже как охлаждающая двойная. Полный цикл, включая нейтральные условия, теперь составляет основу современного климатического прогнозирования.

Что такое Эль-Ниньо?

Эль-Ниньо характеризуется аномальным потеплением температуры поверхности моря в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана. Это потепление обычно сохраняется в течение 9-12 месяцев, хотя иногда может длиться более года. Во время Эль-Ниньо обычно сильные торговые ветры, которые дуют с востока на запад через экваториальную часть Тихого океана, ослабевают или даже меняются в некоторых районах. Этот сдвиг в ветровых моделях позволяет необычно теплой воде, которая обычно накапливается вблизи Индонезии и северной Австралии, чтобы выплескиваться на восток к побережью Южной Америки.

Последствия далеко идущие. По мере того, как бассейн с теплой водой сдвигается на восток, меняется и основная область атмосферной конвекции и осадков. Это смещение изменяет циркуляцию Уокера — большую петлю восходящего и нисходящего воздуха над тропиками. Эль-Ниньо обычно приносит:

  • Увеличение количества осадков и наводнение южного яруса Соединенных Штатов, особенно Калифорнии и побережья Мексиканского залива, поскольку струйный поток смещен на юг.
  • Засуха в Индонезии, Австралии и некоторых частях Юго-Восточной Азии, когда первичный пояс дождя удаляется.
  • Подавленная активность ураганов в Атлантическом бассейне из-за повышения температуры поверхности Атлантического моря и более низких температур ветра.
  • Нарушение морской экосистемы у западного побережья Южной Америки, где богатая питательными веществами холодная вода заменяется теплой, бедной питательными веществами водой, что приводит к снижению рыбных запасов, таких как анчоусы.

Одно из самых сильных событий Эль-Ниньо в истории произошло в 2015–2016 годах, когда аномалии температуры поверхности моря превышали 2,5 ° C в некоторых частях экваториальной части Тихого океана. Это событие вызвало экстремальные погодные условия во всем мире, включая сильные засухи в Африке и частях Азии, а также сильные дожди по всей Америке. Для детального измерения и отслеживания условий Эль-Ниньо, ENSO Diagnostic Discussion NOAA предоставляет обновленные прогнозы.

Что такое Ла-Нинья?

Ла-Нинья, часто считающаяся сестринской противоположностью Эль-Ниньо, определяется устойчивым охлаждением температуры поверхности моря в центральной и восточной тропической части Тихого океана.Во время эпизода Ла-Нинья усиливаются торговые ветры, толкающие еще более теплую воду в западную часть Тихого океана. Это позволяет более активно подниматься холодной, глубокой воде вдоль экватора и южноамериканского побережья. События Ла-Нинья, как правило, немного реже, чем Эль-Ниньо, но могут сохраняться в течение более длительных периодов, иногда продолжительностью два года или более.

Глобальные последствия Ла-Нинья во многих отношениях являются зеркальным отражением Эль-Ниньо, хотя последствия не всегда симметричны по силе или географическому охвату.

  • Условия в Индонезии, северной Австралии и на западных островах Тихого океана, в том числе повышенный риск наводнений и оползней.
  • Более сухие и более теплые условия на юго-западе Соединенных Штатов и в некоторых частях Африканского Рога, часто приводящие к засухе.
  • Усиление активности ураганов в Атлантике , поскольку снижение сдвига ветра и более теплые температуры поверхности Атлантического моря создают более благоприятную среду для формирования и усиления штормов.
  • Улучшение подъема и продуктивности морской среды у берегов Перу и Эквадора, что в краткосрочной перспективе принесет пользу рыболовству.

Событие Ла-Нинья 2020–2022 годов, которое фактически охватывало две последовательные зимы (двойная кончика Ла-Нинья), способствовало рекордным сезонам ураганов в Атлантике, включая широкомасштабный ущерб от урагана Ида в 2021 году. Это также усугубило засуху в некоторых частях юго-запада Соединенных Штатов. Понимание этих асимметричных ответов требует более глубокого изучения океанографической и атмосферной механики, которые управляют ENSO.

Цикл ENSO: взаимодействие океан-атмосфера

ENSO — это не одно событие, а цикл, который колеблется между тремя фазами: Эль-Ниньо, Ла-Нинья и нейтральный. Двигатель этого цикла — петля обратной связи между океаном и атмосферой над экваториальной частью Тихого океана. Два ключевых компонента приводят в движение ENSO: поведение торговых ветров и структура верхнего океана.

Торговые ветры и круговорот Уокера

При нормальных нейтральных условиях сильные торговые ветры дуют с востока через тропическую часть Тихого океана, толкая теплую поверхностные воды к западной части Тихого океана. Это создает «теплый бассейн» около Индонезии с температурой поверхности моря часто выше 28 ° C (82 ° F). В восточной части Тихого океана холодная вода поднимается вверх от более глубоких слоев, чтобы заменить воду, толкающуюся на запад. Этот температурный градиент через Тихий океан приводит к циркуляции Уокера: воздух поднимается над теплой западной частью Тихого океана, течет на восток высоко в атмосфере, опускается на запад по мере того, как торговые ветры ослабевают, теплые воды смещаются на восток, поднимающаяся ветвь циркуляции Уокера движется вместе с ней, и вся петля ослабевает. Во время Ла-Нинья торговые ветры усиливаются, теплые воды накапливаются еще выше на западе, и циркуляция Уокера усиливается.

Роль термоклина

Под поверхностью экваториальной части Тихого океана имеется слой резкого изменения температуры — термоклина — который отделяет теплую поверхностные воды от холодной глубокой воды. На западе термоклина глубокая (100—200 метров) из-за нагромождения теплой воды; на востоке она мелкая (20—50 метров) из-за апвеллинга. События Эль-Ниньо сглаживают этот наклон: термоклина углубляется на востоке и отмели на западе, снижая эффективность апвеллинга холодной воды. Ла-Нинья наклона круче, повышая эффективность апвеллинга. Эти изменения в теплосодержимом океана имеют решающее значение для поддержания аномалий ENSO в течение сезонов.

Инициация и прекращение

События ENSO обычно начинаются весной и созревают в зимнее время Северного полушария, когда связь океан-атмосфера наиболее сильна. Они вызываются сочетанием случайного погодного шума (например, западные ветры в западной части Тихого океана) и кумулятивного океанского тепла. После инициации обратная связь между океаном и атмосферой усиливает аномалию. Например, во время Эль-Ниньо ослабленные торговые ветры уменьшают апвеллинг, который еще больше нагревает океан, что еще больше ослабляет ветры. В конце концов, эта положительная обратная связь ограничена такими процессами, как динамика океанических волн: волны Кельвина (теплые сигналы, распространяющиеся на восток) и волны Россби (холодные сигналы, движущиеся на запад) корректируют систему, в конечном итоге приводя к распаду и возможному переходу в противоположную фазу. Это упрощенный вид; фактическая динамика включает сложные нелинейные взаимодействия. Образовательные ресурсы НАСА обеспечивают полезную визуализацию этих процессов.

Глобальное воздействие на погоду и климат

Сдвиги в тропических осадках и атмосферной циркуляции, вызванные ENSO, не ограничиваются Тихим океаном. Через атмосферные телесоединения - междугородние связи в погодных условиях - Эль-Ниньо и Ла-Нинья влияют на температуру, осадки и штормовые трассы по всему миру.

Региональные погодные модели

Во время Эль-Ниньо изменённый струйный поток приносит больше зимних штормов по югу США, приводя к осадкам выше среднего в Калифорнии, на юго-западе и вдоль побережья Мексиканского залива. И наоборот, долина Огайо и части Среднего Запада имеют тенденцию быть более сухими. В тропиках Эль-Ниньо часто приводит к уменьшению муссонных осадков в Индии и частях Западной Африки, в то время как восточная Африка может испытывать более нормальные дожди. Во время Ла-Нинья тенденция меняется: северные Соединённые Штаты становятся холоднее и влажнее, а южные штаты теплее и суше.

Тропические циклоны и сильные штормы

ENSO оказывает сильное влияние на ураганную активность. Эль-Ниньо подавляет формирование атлантического урагана за счёт увеличения вертикального сдвига ветра над тропической Атлантикой и содействия потоплению воздуха. Ла-Нинья уменьшает сдвига ветра и усиливает восходящий воздух, создавая благоприятные условия для всё более сильных ураганов. Сезон атлантических ураганов 2020 года, характеризующийся 30 названными штормами во время Ла-Нинья, является ярким примером. Напротив, Тихоокеанский бассейн видит обратное: Эль-Ниньо имеет тенденцию к увеличению активности тайфунов в западной части северной части Тихого океана, а Ла-Нинья его снижает.

Экосистемные и биологические воздействия

Морские экосистемы резко реагируют на ENSO. Крах апвеллинга во время Эль-Ниньо снижает доступность питательных веществ, заставляя уменьшаться цветение планктона; это рябь вверх по пищевой цепи, затрагивая рыбу, морских птиц и морских млекопитающих. Например, Эль-Ниньо 1982-83 годов вызвал массовые вымирания морских игуан в Галапагосских островах и крах перуанского анчоусного промысла. Ла-Нинья, усиливая апвеллинг, может временно повысить производительность, но также может привести к вредному цветению водорослей. Наземные экосистемы также ощущают последствия: пожары в Индонезии и Австралии становятся более вероятными во время засухи Эль-Ниньо, в то время как Ла-Нинья может вызвать широкомасштабное наводнение в тех же регионах.

Хорошо документированным историческим событием является Эль-Ниньо 1997-98 годов, одно из самых сильных в 20-м веке. Это вызвало ущерб в размере 35 миллиардов долларов во всем мире, включая разрушительные наводнения в Калифорнии, оползни в Перу и пожары, вызванные засухой в Индонезии. Обсерватория Земли НАСА предлагает подробные тематические исследования этого и других событий ENSO.

Предсказание Эль-Ниньо и Ла-Нинья

Прогнозирование начала, эволюции и интенсивности событий ENSO значительно улучшилось за последние несколько десятилетий благодаря сочетанию сетей наблюдения и компьютерных моделей.Точные прогнозы могут обеспечить месяцы времени для подготовки фермеров, менеджеров по водоснабжению, специалистов по планированию чрезвычайных ситуаций и правительств.

Наблюдение за океаном и атмосферой

Мониторинг в реальном времени опирается на сеть пришвартованных буев в экваториальной части Тихого океана (решетка TAO/TRITON), спутниковые измерения температуры поверхности моря, высоты поверхности моря и оценки температуры подповерхности от дрейфующих буев. Индекс океанического ниньо (ONI), основанный на аномалиях температуры поверхности моря в регионе Ниньо 3,4 (5°N-5°S, 170°W-1200°W), является наиболее распространенной операционной метрикой, используемой для классификации фаз ENSO. Кроме того, индексы, основанные на индексе южного колебания (SOI), который измеряет разницу в давлении уровня моря между Таити и Дарвином, помогают захватить атмосферную реакцию.

Климатические модели

Синоптики используют динамические модели, имитирующие физику океана и атмосферы, а также статистические модели, основанные на исторических отношениях. Национальные центры экологического прогнозирования (NCEP) запускают систему климатического прогнозирования (CFS), и многие международные центры вносят свой вклад в ансамбли моделей ENSO. Умные прогнозы обычно возможны к концу весны для следующей зимы, но прогнозирование точного времени и величины событий остается сложным, особенно за несколько месяцев. Барьер весенней предсказуемости - тенденция к тому, что прогнозы теряют навыки во время весны в Северном полушарии - ограничивает время выполнения. NOAA Climate.gov обеспечивает объяснения этих прогнозных задач на простом языке.

«Предсказывать начало Эль-Ниньо — это все равно, что пытаться поймать мяч для пинг-понга в урагане», — доктор Майкл Макфаден, старший научный сотрудник NOAA PMEL.

Несмотря на эти трудности, комбинированные статистические и динамические модели прогнозов правильно предсказывали большинство крупных событий с начала 2000-х годов, хотя ложные тревоги и пропущенные события все еще происходят.

Сельское хозяйство, водные ресурсы и социально-экономические последствия

Сельское хозяйство является одним из секторов, наиболее непосредственно затронутых ENSO. Урожайность сельскохозяйственных культур для основных продуктов, таких как кукуруза, соя, пшеница и рис, может колебаться в зависимости от фазы. Во время Эль-Ниньо, Южная Африка и части Австралии сталкиваются с засухой, снижая урожайность; во время Ла-Нинья, Восточная Африка может испытывать наводнения, которые разрушают посадку. И наоборот, такие регионы, как Великие равнины США, могут извлечь выгоду из влажных условий Ла-Нинья. Фермеры все чаще используют прогнозы ENSO, чтобы выбрать, какие культуры посадить и скорректировать графики орошения.

Управление водными ресурсами также в значительной степени зависит от прогнозов ENSO. Например, водохранилища в Калифорнии управляются с ожиданиями увеличения притока во время зимы Эль-Ниньо, в то время как планы на случай засухи активируются во время Ла-Нинья. Управление рыболовством выигрывает от понимания того, как ENSO меняет рыбные запасы; например, анчоусный промысел у Перу исторически рухнул во время сильного Эль-Ниньо, требуя сокращения квот на вылов.

Экономические потери ENSO могут быть огромными. Только Эль-Ниньо 2015-16 годов повлекло за собой потери в сельском хозяйстве на Филиппинах, в то время как то же самое событие вызвало ущерб от засухи в Эфиопии на сумму более 1 миллиарда долларов. С другой стороны, усиление Ла-Нинья атлантических ураганов приводит к миллиардам убытков от имущественного ущерба и затрат на восстановление в Соединенных Штатах и Карибском бассейне. Правительства и отрасли теперь интегрируют перспективы ENSO в стратегии управления рисками, от энергетического планирования до готовности к стихийным бедствиям.

Изменение климата и будущее поведение ENSO

Один из самых актуальных открытых вопросов в науке о климате - как вызванное человеком глобальное потепление повлияет на цикл ENSO. В то время как модели согласны с тем, что планета нагревается, будущее амплитуды и частоты ENSO остается неопределенным. Некоторые исследования предполагают, что события Эль-Ниньо могут стать более экстремальными, с более высокими аномалиями температуры поверхности моря, обусловленными более теплыми фоновыми температурами океана. Другие исследования показывают, что среднее состояние тропической части Тихого океана может смещаться в сторону более Эль-Ниньо-подобной картины, или что изменчивость ENSO может увеличиться в более теплом мире.

Что яснее, так это то, что многие воздействия Эль-Ниньо и Ла-Нинья будут наложены на более теплый климат. Например, событие Эль-Ниньо в более теплом мире, вероятно, принесет еще более интенсивные волны тепла и засухи в определенные регионы, потому что базовая температура уже выше. Аналогичным образом, события Ла-Нинья могут привести к более интенсивным осадкам и наводнениям, поскольку более теплая атмосфера удерживает больше влаги. Повышение уровня моря усугубит прибрежные наводнения во время штормовых нагонов, связанных с Ла-Нинья. В Шестом докладе об оценке МГЭИК подчеркивается, что, хотя существует низкая уверенность в конкретных изменениях ENSO, последствия, несомненно, будут более серьезными из-за более теплой, более влагозагруженной атмосферы.

Ученые продолжают совершенствовать долгосрочные модели, чтобы уменьшить эти неопределенности. Проблема в том, что ENSO представляет собой сложную, хаотичную систему, и для отличия естественной изменчивости от вынужденных изменений требуются многие десятилетия высококачественных наблюдений и продвинутых моделей. Тем не менее, текущие исследования направлены на предоставление действенной информации для обществ, уже адаптирующихся к меняющемуся климату.

Заключение

Эль-Ниньо и Ла-Нинья являются фундаментальными компонентами климатической системы Земли, представляющими естественные колебания в океане и атмосфере, которые имеют глобальный охват. От катастрофических наводнений и засух до воздействия на сезоны ураганов и морские рыболовства, эти явления демонстрируют тесную связь между океаном и воздухом над ним. Достижения в системах наблюдения за океаном, спутниковых технологиях и климатическом моделировании значительно улучшили нашу способность предвидеть и готовиться к событиям ENSO, но многие проблемы остаются - особенно в контексте потепления мира. Продолжающиеся инвестиции в исследования и международное сотрудничество имеют важное значение для уточнения прогнозов и повышения устойчивости в сообществах, наиболее уязвимых к воздействию ENSO. Углубляя наше понимание науки, стоящей за этими мощными явлениями, мы укрепляем нашу способность адаптироваться и процветать в динамичном и постоянно меняющемся климате.