Эль-Ниньо и Ла-Нинья: двигатель глобальной изменчивости климата

Эль-Ниньо и Ла-Нинья представляют собой наиболее мощные природные факторы из года в год изменчивости климата на Земле. Эти противоположные фазы цикла Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) возникают из сложных и часто тонких взаимодействий между тропическим Тихим океаном и атмосферой. В то время как названия происходят от испанских терминов, относящихся к ребенку-Христу и маленькой девочке, их последствия не очень мягкие. Эти явления меняют модели осадков, изменяют температурные режимы и нарушают экосистемы по всему миру, с последствиями, которые пульсируют через сельское хозяйство, водные ресурсы, здравоохранение и экономику. Понимание науки, стоящей за этими событиями, является не просто академическим упражнением; это необходимо для улучшения сезонных прогнозов, подготовки к экстремальным погодным условиям и управления рисками, связанными с изменением климата.

Что такое Эль-Ниньо?

Эль-Ниньо, тёплая фаза ENSO, определяется аномальным потеплением температуры поверхности моря в центральной и восточной экваториальной части Тихого океана. В нормальных условиях торговые ветры дуют с востока на запад через Тихий океан, толкая тёплую поверхностную воду в сторону Индонезии и Австралии. Этот процесс заставляет более холодную, богатую питательными веществами воду подниматься вверх вдоль побережья Южной Америки. Во время Эль-Ниньо торговые ветры значительно ослабевают, позволяя теплому бассейну воды, который обычно находится в западной части Тихого океана, выплескиваться на восток к побережью Перу и Эквадора. Эта миграция тёплой воды на восток подавляет нормальное перемещение холодной, богатой питательными веществами воды, что приводит к широкому району повышенных температур поверхности моря, которые могут сохраняться в течение нескольких месяцев.

Потепление не является однородным процессом. Оно обычно начинается вблизи Международной линии дат и распространяется на восток, с аномалиями, часто превышающими 2-3 °C выше долгосрочного среднего. Этого, казалось бы, скромного температурного сдвига достаточно, чтобы радикально изменить местоположение и интенсивность атмосферной конвекции. Восходящий воздух, который обычно питает грозы над теплым западным Тихим океаном, смещается на восток, затягивая с собой основные дождевые пояса. Регионы, которые обычно сухие, такие как центральная часть Тихого океана и западное побережье Южной Америки, могут испытывать разрушительные наводнения, в то время как районы, которые зависят от муссонных дождей, такие как Индонезия и северная Австралия, могут столкнуться с сильной засухой. События Эль-Ниньо обычно достигают пика во время зимы в Северном полушарии и могут длиться от девяти месяцев до двух лет.

Что такое Ла-Нинья?

Ла-Нинья представляет собой холодную фазу цикла ENSO и во многом является зеркальным отражением Эль-Ниньо. Во время события Ла-Нинья торговые ветры усиливаются сверх своей нормальной интенсивности, толкая еще более теплые поверхностные воды к западной части Тихого океана. Эта интенсификация заставляет больший, чем обычно, объем холодной воды подниматься вверх вдоль экваториального побережья Южной Америки, в результате чего температура поверхности моря значительно холоднее, чем в среднем по центральной и восточной части Тихого океана. Охлаждение может быть столь же выраженным, как потепление во время Эль-Ниньо, при аномалиях, часто опускающихся на 1-2 °C ниже нормы.

Укрепленные торговые ветры и более прохладные восточные тихоокеанские воды производят выраженный градиент температуры поверхности моря через экваториальную часть Тихого океана.Этот резкий тепловой контраст усиливает атмосферную циркуляцию, известную как циркуляция Уокера, с ростом воздуха и усиленными осадками, сконцентрированными над далекой западной частью Тихого океана и Индонезией, и нисходящим, сухим воздухом, доминирующим над восточной частью Тихого океана.Воздействие Ла-Нинья часто противоположно тем, которые наблюдаются во время Эль-Ниньо: Австралия, Индонезия и части Юго-Восточной Азии, как правило, испытывают выше среднего количества осадков и повышенный риск наводнений, в то время как юго-западные Соединенные Штаты, части Южной Америки и Восточной Африки часто сталкиваются с более сухими, чем обычно, условиями, в то время как усиленные торговые ветры усиливают более прохладные условия океана в петле положительной обратной связи.

Океано-атмосферная система: тонкий танец

Явления Эль-Ниньо и Ла-Нинья не могут быть поняты изолированно. Они являются продуктом тесно связанной системы, в которой изменения в океане приводят к изменениям в атмосфере, и эти атмосферные изменения, в свою очередь, питают океан. Эта связь дает ENSO его характерное колебание и его способность сохраняться в течение месяцев или лет. Экваториальная часть Тихого океана уникально подходит для такого взаимодействия, потому что ее обширное пространство теплой воды обеспечивает массивный источник энергии для атмосферы, в то время как лежащие торговые ветры обеспечивают механическое воздействие, которое формирует океанские течения и распределение температуры.

Торговые ветры и круговорот Уокера

Основу системы ENSO составляет Волковая циркуляция, крупномасштабная петля восходящего и тонущего воздуха, охватывающая тропическую часть Тихого океана.В нормальных условиях интенсивное солнечное нагревание над тёплой западной частью Тихого океана вызывает подъём воздуха, создавая область низкого давления и обильных осадков. Этот подъём воздуха течёт на восток на большой высоте, остывает и опускается над более прохладной восточной частью Тихого океана, создавая область высокого давления и ясного неба. Поверхностная ветвь этой циркуляции состоит из пассатов, которые дуют с востока на запад, завершая петлю.Во время Эль-Ниньо ослабление пассатов нарушает круговорот Уокера, заставляя поднимающуюся ветвь смещаться на восток.Во время Ла-Нинья усиление пассатов усиливает циркуляцию, крепко запирая поднимающуюся ветвь над западной частью Тихого океана.

Океанские течения и тепловой транспорт

Океан играет активную роль в цикле ENSO через движение водных масс и транспорт тепла. Экваториальная система тока в Тихом океане состоит из потоков на запад, приводимых в движение торговыми ветрами, и течения на восток, известного как экваториальный подземный ток. Этот подводный ток переносит более прохладную воду из западной части Тихого океана на восток, где он может подниматься к поверхности, когда ветра благоприятны. Во время Эль-Ниньо снижение напряжения торгового ветра позволяет термоклину — границе между теплой поверхностной водой и более холодной глубокой водой — углубляться в восточной части Тихого океана, уменьшая подачу холодной воды на поверхность. Во время Ла-Нинья более сильные ветры вызывают отток термоклина, что облегчает достижение холодной воды на поверхность. Эти изменения в глубине и наклоне термоклина являются центральными для развития и поддержания событий Эль-Ниньо и Ла-Нинья.

Петли обратной связи, которые поддерживают цикл

Цикл ENSO характеризуется набором усиливающих обратных связей, усиливающих и поддерживающих отклонения от среднего состояния. Наиболее важным из них является обратная связь Бьеркнеса, названная в честь норвежского метеоролога Якоба Бьеркнеса. Эта обратная связь описывает самоукрепляющуюся петлю, в которой ослабление торговых ветров приводит к более теплым температурам поверхности моря в восточной части Тихого океана, что дополнительно ослабляет торговые ветры, создавая положительную обратную связь, которая приводит систему к состоянию Эль-Ниньо. И наоборот, во время Ла-Нинья более сильные торговые ветры усиливают подъем и охлаждение, что усиливает торговые ветры еще больше. Вторая ключевая обратная связь включает облачный покров и солнечное излучение. Во время Эль-Ниньо сдвиг конвективного облачного покрова к центральной и восточной части Тихого океана уменьшает количество поступающего солнечного излучения, достигающего поверхности океана в этом регионе, что может в конечном итоге помочь закончить событие. Эти обратные связи, наряду с динамикой океанских волн, такой как экваториальные волны Кельвина и волны Россби,

Ключевые процессы вождения Эль-Ниньо и Ла-Нинья

Экваториальные волны Кельвина

Экваториальные волны Кельвина — это крупномасштабные океанические волны, которые быстро движутся по термоклину с запада на восток через Тихий океан. Эти волны вызваны изменениями напряжения ветра, в частности, ослаблением или усилением торговых ветров в западной части Тихого океана. Расслабление торговых ветров на ранних стадиях Эль-Ниньо порождает волну Кельвина, которая распространяется на восток, углубляя термоклину и подавляя подъем вдоль экватора. Это углубляет теплый поверхностный слой и способствует потеплению температуры поверхности моря в восточной части Тихого океана. Во время Ла-Нинья усиление торговых ветров порождает волну Кельвина, которая оттачивает термоклину, усиливает подъем и охлаждает восточную часть Тихого океана. Эти волны движутся со скоростью 2-3 метра в секунду, что позволяет им пересекать Тихоокеанский бассейн примерно за два-три месяца, обеспечивая ключевой механизм для распространения сигналов ENSO на восток.

Термоклиновое вытеснение

Глубина термоклина через экваториальную часть Тихого океана неоднородна. В нормальных условиях он наклоняется вверх с запада на восток, сидя на глубине примерно 150 метров в западной части Тихого океана и поднимаясь примерно до 50 метров в восточной части Тихого океана. Этот наклон поддерживается устойчивой силой торговых ветров. Во время Эль-Ниньо, когда торговые ветры расслабляются, термоклина уплощается, становясь глубже на востоке и более мелким на западе. Это углубление на востоке снижает эффективность подъема при подведении холодной воды к поверхности, позволяя повысить температуру поверхности моря. Во время Ла-Нинья торговые ветры усиливаются, увеличивая наклон и оттачивая термоклину на востоке, что усиливает наклон и охлаждение. Степень смещения термоклина является критическим предиктором интенсивности ENSO и тщательно контролируется системами наблюдения за океаном.

Сдвиги атмосферного давления

Южный колебание относится к модели качения атмосферного давления между восточной и западной тропической части Тихого океана. Эта разница давления измеряется индексом южного колебания (SOI), который сравнивает аномалии давления на уровне моря на Таити (представляющий восточную часть Тихого океана) и Дарвином, Австралия (представляющий западную часть Тихого океана). Сильно отрицательный SOI, с более низким давлением в восточной части Тихого океана и более высоким давлением на западе, связан с условиями Эль-Ниньо. Сильно положительный SOI, с более высоким давлением на востоке и более низким давлением на западе, связан с Ла-Нинья. Эти сдвиги давления являются не просто реакцией на изменения температуры океана; они активно управляют аномалиями ветра, которые усиливают состояние океана, завершая связь океан-атмосфера. SOI обеспечивает простую, но мощную метрику для отслеживания фазы и интенсивности ENSO в почти реальном времени.

Глобальные последствия Эль-Ниньо и Ла-Нинья

Достижение Эль-Ниньо и Ла-Нинья простирается далеко за пределы тропической части Тихого океана. Благодаря атмосферным телесвязям — цепочкам распространения атмосферных волн, которые связывают погодные условия на огромных расстояниях — эти события влияют на температуру и осадки в глобальном масштабе. Воздействие не детерминистическое, а вероятностное; они меняют шансы определенных погодных исходов, делая некоторые условия более вероятными, а другие менее.

Региональные погодные модели

Во время Эль-Ниньо сдвиг в тропических осадках приводит к предсказуемому набору региональных воздействий. Южный ярус США, от Калифорнии до Флориды, имеет тенденцию испытывать более влажные, чем в среднем, условия в зимние месяцы, в то время как тихоокеанский северо-запад и долина Огайо часто видят более сухую погоду. Индонезия, северная Австралия и Филиппины обычно сталкиваются с уменьшением осадков и повышенным риском засухи. В Южной Америке прибрежные Перу и Эквадор получают сильные осадки и наводнения, в то время как бассейн Амазонки и северо-восточная Бразилия могут испытывать засуху. Восточная Африка часто видит более влажные условия в течение короткого сезона дождей, в то время как южная Африка может быть более сухой.

Ла-Нинья имеет тенденцию производить противоположную картину, хотя симметрия не идеальна. Юг США часто становится суше, увеличивая риск засухи и лесных пожаров, в то время как Тихоокеанский северо-запад и долина Огайо получают больше осадков. Северная Австралия и Индонезия испытывают более высокие осадки с повышенным риском наводнений. Муссонные дожди над Индией, как правило, сильнее во время Ла-Нинья, что может принести пользу сельскому хозяйству, но также вызвать наводнения. В Южной Америке прибрежные районы Перу и Эквадора становятся более сухими, в то время как бассейн Амазонки и северо-восточная Бразилия получают больше дождей. Особенно хорошо документированы последствия на сезон ураганов в Атлантике: Эль-Ниньо подавляет активность ураганов в Атлантике за счет увеличения вертикального сдвига ветра, в то время как Ла-Нинья усиливает его, часто приводя к более активным и интенсивным сезонам ураганов.

Экономические и социальные последствия

Экономические потери Эль-Ниньо и Ла-Нинья могут быть ошеломляющими. Сельское хозяйство является наиболее непосредственно затронутым сектором, поскольку измененные режимы осадков и температуры нарушают циклы посадки и сбора урожая, снижают урожайность и увеличивают распространенность вредителей и заболеваний. В течение 2015-2016 годов Эль-Ниньо, один из самых сильных в истории, глобальные сельскохозяйственные потери оценивались в десятки миллиардов долларов, с особенно серьезными последствиями для производства риса, пшеницы и пальмового масла в Юго-Восточной Азии. Рыболовство также страдает, особенно вдоль побережья Перу, где крах анчоусного рыболовства во время Эль-Ниньо исторически привел к огромным экономическим потерям. Рыболовная промышленность восстанавливается во время Ла-Нинья, когда усиливается обогащение питательными веществами.

Регионы, которые испытывают засуху во время Эль-Ниньо, должны бороться с пониженными уровнями водохранилищ, истощением подземных вод и усилением конкуренции за водоснабжение. И наоборот, районы, которые испытывают наводнения, сталкиваются с ущербом для инфраструктуры, перемещением населения и рисками заболеваний, передающихся через воду. Системы общественного здравоохранения напряжены, поскольку переносимые переносчиками заболевания, такие как малярия, лихорадка денге и чикунгунья, расширяют свой диапазон в ответ на изменение температуры и характера осадков. События Эль-Ниньо связаны с повышенным риском конфликтов в некоторых регионах, поскольку дефицит ресурсов, усугубляемый экстремальными погодными условиями, может усилить напряженность. Объединенный эффект этих воздействий подчеркивает важность точного прогнозирования ENSO и активного управления рисками.

Предсказание и мониторинг ENSO

Наблюдающие системы

Современное предсказание ENSO опирается на сложную глобальную систему наблюдений, которая включает в себя спутники, буи и измерения на основе кораблей. Краеугольным камнем этой системы является массив Тропического океана атмосферы (TAO), сеть пришвартованных буев, охватывающих экваториальную часть Тихого океана от 165 ° E до 95 ° W. Эти буи измеряют поверхностные ветры, температуру воздуха, температуру поверхности моря и температуру подповерхности до глубины 500 метров, предоставляя данные в реальном времени о состоянии системы океан-атмосфера. Спутниковые миссии, включая серию альтиметров Джейсона, измеряют высоту поверхности моря, которая является надежным прокси для глубины термоклина и теплового содержания верхнего океана. NOAA Pacific Marine Environmental Laboratory поддерживает и управляет массивом TAO, предоставляя критические данные для оперативного прогнозирования.

Прогнозные модели

Прогнозирование ENSO осуществляется набором динамических и статистических моделей, управляемых климатическими центрами по всему миру. Динамические модели имитируют физические процессы океана и атмосферы с использованием математических уравнений и работают на высокопроизводительных суперкомпьютерах. Эти модели значительно улучшились за последние два десятилетия и теперь могут обеспечить умелые прогнозы условий ENSO за шесть-девять месяцев вперед. Статистические модели, которые полагаются на исторические отношения между переменными предиктора и результатами ENSO, дополняют динамические модели и особенно полезны для понимания диапазона возможных результатов. Международный исследовательский институт климата и общества (IRI) обеспечивает консолидированный прогнозный шлейф ENSO, который объединяет выход нескольких моделей, давая синоптикам и лицам, принимающим решения, вероятностный взгляд на вероятную эволюцию ENSO.

Проблемы в прогнозировании

Несмотря на значительные успехи, прогнозирование ENSO остается грозной научной проблемой. Врожденная нерегулярность цикла ENSO означает, что нет двух событий, которые точно похожи, и система демонстрирует хаотическое поведение, которое ограничивает предсказуемость за пределами свинцового времени примерно один год. Так называемый барьер предсказуемости весны, период около апреля-июня, когда система ENSO особенно чувствительна к небольшим возмущениям и прогнозам, часто теряет мастерство, остается постоянным препятствием. Кроме того, влияние изменения климата изменяет фоновое состояние тропического Тихого океана, потенциально меняя частоту, интенсивность и характеристики будущих событий Эль-Ниньо и Ла-Нинья. Исследователи активно работают над пониманием этих изменений и улучшением представления физики ENSO в климатических моделях. Блог NOAA ENSO предлагает регулярные обновления и экспертный анализ текущих условий и эволюции прогноза, служа ценным ресурсом как для ученых, так и для общественности.

ENSO в условиях потепления климата

Одним из наиболее активных направлений климатических исследований является понимание того, как цикл ENSO будет реагировать на продолжающееся глобальное потепление. Теоретическая картина сложна. Некоторые климатические модели прогнозируют увеличение частоты экстремальных событий Эль-Ниньо, определяемых очень сдвинутой на восток областью глубокой конвекции, которая приносит сильные осадки в обычно сухую экваториальную восточную часть Тихого океана. Другие модели предполагают, что фоновое потепление тропической части Тихого океана может снизить амплитуду аномалий температуры поверхности моря, в то время как другие указывают на то, что базовая динамика ENSO останется в значительной степени неизменной. Растет число доказательств того, что воздействие событий ENSO на региональный климат может усилиться в более теплом мире, даже если амплитуда аномалий температуры поверхности моря не изменится резко. Это связано с тем, что более теплая атмосфера удерживает больше влаги, усиливая гидрологический цикл и усиливая аномалии осадков, связанные с обеими фазами ENSO.

Взаимодействие между ENSO и другими способами изменчивости климата, такими как Тихоокеанское десятилетнее колебание (PDO) и Диполь Индийского океана (IOD), добавляет еще один уровень сложности. Эти режимы могут модулировать силу и пространственную картину событий ENSO и могут либо усиливать, либо компенсировать их воздействие. Например, положительный IOD в сочетании с Эль-Ниньо может усугубить условия засухи в Индонезии и Австралии. Понимание этих взаимодействий имеет решающее значение для улучшения сезонных и десятилетних климатических прогнозов и для оценки полного спектра рисков, связанных с будущими событиями ENSO. Австралийское бюро метеорологии предоставляет всеобъемлющую информацию о мониторинге и перспективах для ENSO и связанных с ними климатических факторов, с акцентом на воздействия, имеющие отношение к австралийскому региону.

На пути к устойчивости: использование науки ENSO

Наука Эль-Ниньо и Ла-Нинья продвинулась до такой степени, что может напрямую информировать о принятии решений в широком спектре секторов. Сельскохозяйственные службы распространения во многих странах используют прогнозы ENSO для консультирования фермеров по выбору урожая, срокам посадки и расписанию орошения. Менеджеры водных ресурсов включают прогнозы ENSO в свои планы эксплуатации резервуаров, корректируя темпы высвобождения и меры по сохранению для подготовки к ожидаемому риску засухи или наводнений. Агентства по управлению чрезвычайными ситуациями используют прогнозы ENSO для предварительного размещения поставок, подготовки персонала и разработки планов реагирования на экстремальные погодные явления. Всемирная метеорологическая организация координирует глобальные центры по производству прогнозов на большие расстояния, которые распространяют прогнозы ENSO для национальных метеорологических служб по всему миру, гарантируя, что наилучшие доступные науки достигают тех, кто в них нуждается.

Экономические выгоды от прогнозирования ENSO значительны. Исследования показали, что ценность улучшенных прогнозов ENSO может достигать миллиардов долларов в год в сельском хозяйстве, рыболовстве, энергетике и страховом секторе. Эта ценность реализуется не только посредством прямых действий по обеспечению готовности, но и посредством снижения неопределенности, что позволяет предприятиям и правительствам принимать более обоснованные инвестиционные решения. Задача на будущее состоит в том, чтобы продолжать улучшать точность и время выполнения прогнозов ENSO, лучше понимать связи между ENSO и другими компонентами климатической системы и эффективно сообщать вероятностный характер этих прогнозов разнообразному сообществу пользователей. По мере того, как климат продолжает развиваться, способность предвидеть и реагировать на колебания цикла ENSO останется краеугольным камнем глобальной устойчивости к изменению климата.