Table of Contents

Сезонная изменчивость климата описывает естественные колебания погоды и климатических моделей, которые повторяются в течение года, сформированные орбитальной механикой Земли, океанскими течениями и атмосферной динамикой. Эти периодические сдвиги не являются простыми календарными маркерами - они лежат в основе глобального производства продуктов питания, безопасности воды и общественного здравоохранения. Понимание механизмов, лежащих в основе сезонной изменчивости, позволяет ученым прогнозировать аномалии, такие как волны тепла, засухи и наводнения, с повышением квалификации, и это вооружает сообщества для адаптации к изменяющемуся климату. В этой статье исследуются физические факторы, временные рамки, воздействия и методы прогнозирования, которые определяют сезонную изменчивость климата, опираясь на последние исследования ведущих метеорологических агентств.

Основы сезонной изменчивости климата

Сезонная изменчивость климата охватывает предсказуемые ритмы температуры, осадков и ветра, которые происходят по мере того, как Земля вращается вокруг Солнца, а также отклонения от тех норм, которые возникают из-за взаимодействия между атмосферой, океанами и поверхностями суши. Базовый сезонный цикл обусловлен осевым наклоном — наклоном Земли на 23,5° относительно ее орбитальной плоскости — что вызывает дифференциальное нагревание Северного и Южного полушарий в течение года. Однако естественная изменчивость, наложенная на этот цикл, может усиливать или подавлять сезонные условия, что приводит к годам, которые теплее, прохладнее, влажнее или суше, чем в среднем.

Определение сезонного цикла и его аномалий

Сам сезонный цикл является продуктом предсказуемого астрономического воздействия. Поскольку планета вращается вокруг Солнца, угол входящего солнечного излучения изменяется, производя знакомое прогрессирование от весны до лета, от осени до зимы в умеренных регионах. Тем не менее, фактическая погода, испытываемая в любом данном сезоне, редко точно соответствует климатическому среднему. Аномалии - отступления от долгосрочного среднего - это то, что мы называем сезонной изменчивостью климата. Эти аномалии могут быть такими же маленькими, как несколько десятых градуса или такими большими, как события с многостандартным отклонением, такие как североамериканская зима 2013-2014 годов, когда полярный вихрь принес экстремальные холода, несмотря на потепление планеты. Ученые количественно оценивают изменчивость с использованием таких индексов, как стандартизированный индекс осадков (SPI) или температурные процентили, которые помогают различать нормальные колебания и экстремальные события.

Основные факторы сезонной изменчивости климата

Несколько взаимосвязанных факторов влияют на величину и время сезонных колебаний.В то время как солнечное излучение обеспечивает ввод энергии, распределение и удержание этой энергии зависят от состава атмосферы, хранения тепла в океане и географических особенностей.

Солнечное излучение и орбитальное воздействие

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, варьируется в зависимости от широты, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Летом солнечные лучи ударяют под более крутым углом и доставляют больше энергии на единицу площади, приводя к более высоким температурам. И наоборот, наклонный угол зимы дает меньше энергии. Эксцентриситет орбиты Земли (в настоящее время около 1,7% вариации) и прецессия равноденствий также модулируют сезонную инсоляцию в течение тысячелетий, способствуя ледниково-межледниковым циклам, но на более коротких временных масштабах эти орбитальные параметры почти постоянны. Однако изменения в солнечной выработке - такие как изменение 0,1% полного солнечного излучения в течение солнечного цикла - могут тонко влиять на региональные климатические модели, особенно в стратосфере, где они изменяют распространение планетарных волн и поведение струйного потока.

Хранение и транспортировка тепла в океане

Океаны поглощают примерно 90% избыточного тепла, захваченного парниковыми газами, и выделяют его медленно, действуя как гигантский тепловой буфер, который сглаживает экстремальные сезонные температуры. Океанские течения, управляемые ветром, температурными градиентами и различиями солености, перераспределяют тепло по всему миру. Гольфстрим, например, переносит теплые тропические воды на север, смягчая климат Западной Европы. Когда условия океана отклоняются от их климатологической нормы, как во время Эль-Ниньо или Атлантического мультидекадального колебания (АМО), сезонные погодные условия могут резко измениться. Аномалии температуры поверхности моря (SST) в тропической части Тихого океана изменяют атмосферную конвекцию и ветровые модели, создавая телесвязи, которые влияют на погоду на расстоянии тысяч километров. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) поддерживает всеобъемлющий мониторинг этих взаимодействий океан-атмосфера (FLT: 1) поддерживает всеобъемлющий мониторинг этих взаимодействий океан-атмосфера, которые имеют решающее значение для сезонного прогнозировани

Атмосферная циркуляция и динамика реактивного потока

Общая циркуляция атмосферы — Хэдли, Феррел и полярные ячейки — приводит к преобладающим ветровым поясам и штормовым путям. Струйный поток, быстро движущаяся лента воздуха, расположенная вблизи тропопаузы, действует как граница между холодным полярным воздухом и более теплым субтропическим воздухом. Его положение и меандры (волны Россби) диктуют, где развиваются штормы и как далеко может протолкнуться южный холодный воздух. Сезонные сдвиги в солнечном нагреве заставляют струйный поток мигрировать на север летом и на юг зимой. Однако естественная изменчивость, такая как арктическое колебание (AO) или североатлантическое колебание (NAO), может привести к тому, что струйный поток примет необычно зональный или меридиональный характер, что приводит к постоянным погодным режимам — таким как горькие холодные периоды в Европе или длительные засухи в Великих равнинах США. Понимание этих циркуляционных моделей является основной целью Европейской системы прогнозирования погоды среднего уровня (ECMWF) [

Телекоммуникации и глобальные климатические модели

Сезонная изменчивость климата редко происходит изолированно. Крупномасштабные закономерности в одной части мира могут вызывать каскадные эффекты на разных континентах. Они известны как телесвязи — статистически значимые корреляции между климатическими аномалиями в отдаленных регионах. Ключевые телесвязи, которые формируют сезонную изменчивость, включают Эль-Ниньо — Южное колебание (ENSO), Тихоокеанское десятичное колебание (PDO), Североатлантическое колебание (NAO) и Диполь Индийского океана (IOD).

Эль-Ниньо и Ла-Нинья в тропической части Тихого океана

ENSO является наиболее влиятельным режимом годичной изменчивости климата. Каждые два-семь лет экваториальная часть Тихого океана испытывает потепление (El Niño) или охлаждение (La Niña) температуры поверхности моря, сопровождаемое изменениями моделей атмосферного давления, которые изменяют торговые ветры и осадки. Во время Эль-Ниньо сдвиг конвекции на восток приносит увеличение количества осадков в центральную и восточную часть Тихого океана, в то время как западная часть Тихого океана и части Австралии испытывают засуху. В модели Ла-Ниньо происходит обратное. Воздействие на сезонный климат глубокое: зимы Эль-Ниньо имеют тенденцию быть более теплыми и влажными в южной части Северной Америки и более сухими в Тихоокеанском Северо-Западе, в то время как Ла-Нинья приносит более прохладные, более влажные условия в северный ярус Соединенных Штатов и более сухие, более теплые условия на юге. Всемирная метеорологическая организация отслеживает статус ENSO в своем ежемесячном отчете о состоянии глобального климата.

Декадальные колебания и их влияние

Помимо межгодовой изменчивости, десятилетние колебания, такие как PDO и AMO, модулируют сезонный климат в течение 20-30 лет. PDO, определяемый моделями SST в северной части Тихого океана, может смещаться между теплыми и прохладными фазами, влияя на частоту событий Эль-Ниньо и поведение алеутского минимума. Теплая фаза PDO имеет тенденцию быть связана с усиленными воздействиями Эль-Ниньо и более сухими условиями на юго-западе США. Аналогично, AMO в Северной Атлантике чередуется между теплыми и прохладными фазами, влияя на активность ураганов, европейское лето и осадки Сахеля. Эти более медленные изменяющиеся модели задают фон, на котором разыгрывается более короткая сезонная изменчивость, и понимание их улучшает навык десятилетних предсказаний, предлагаемых центрами, такими как Центр Хэдли Метеорологический офис .

Типы сезонной изменчивости в масштабе времени

Сезонная изменчивость климата проявляется в различных временных масштабах, каждый из которых имеет различные механизмы и горизонты предсказуемости.

Межгодовая изменчивость

Годовые изменения являются наиболее знакомой формой сезонной изменчивости. Они возникают в основном из-за взаимодействия океан-атмосфера, такие как ENSO, извержения вулканов, которые вводят аэрозоли в стратосферу, и случайные хаотические колебания в атмосфере. Прогнозирование межгодовой изменчивости является основным направлением систем сезонного прогнозирования, которые направлены на обеспечение прогнозов на один-шесть месяцев вперед. Например, переход от сильного Эль-Ниньо в 2015-2016 годах к слабой Ла-Нинья в 2017-2018 годах произвел резко различные сезонные модели в Тихоокеанском регионе.

Внутрисезонная изменчивость

В течение одного сезона погодные условия могут колебаться в промежутках от недель до месяцев. МЕДДЕН-ЮЛИАНСКОЕ колебание (МЕД) - это тропическое возмущение, которое облетает земной шар каждые 30-60 дней, увеличивая количество осадков над Индийским океаном, а затем сдвигаясь на восток, в конечном итоге подавляя конвекцию в Тихом океане. МЕДИО может влиять на начало и интенсивность сезонов муссонов и вызывать экстремальные события, такие как волны тепла в Австралии или холодные всплески в Восточной Азии. Поскольку его фаза предсказуема примерно до двух недель, МЕДИ обеспечивает ценный источник субсезонной предсказуемости, преодолевая разрыв между прогнозами погоды и сезонными перспективами.

Декадальная изменчивость и долгосрочные тенденции

В течение десятилетия или более внутренние изменения климата сочетаются с внешним воздействием парниковых газов и изменчивостью солнечной энергии для создания медленных изменений исходных сезонных условий. Например, Атлантическое многовековое колебание может усиливать или подавлять сезоны ураганов в течение 30-летних периодов. Однако десятилетняя изменчивость в настоящее время все больше модулируется антропогенным изменением климата, которое меняет распределение вероятности сезонных экстремальных явлений. Сезон, который в 1950 году считался бы необычайно теплым, теперь может быть холоднее, чем новый нормальный, что усложняет отделение естественной изменчивости от тенденций, вызванных человеком.

Воздействие на все сектора

Сезонная изменчивость климата имеет далеко идущие последствия для общества, экосистем и экономики. Понимание этих воздействий позволяет заинтересованным сторонам более эффективно планировать и распределять ресурсы.

Сельское хозяйство и продовольственная безопасность

Сельскохозяйственные системы откалиброваны до средних сезонных условий. Сроки посадки, выбор сортов сельскохозяйственных культур и планирование орошения зависят от надежных сезонных ожиданий. Когда изменчивость отклоняется от норм, последствия могут быть серьезными. Ранний мороз осенью может уничтожить плодовые культуры; отсроченный муссон может предотвратить посев риса в Южной Азии; чрезмерное количество осадков во время сбора урожая может вызвать порчу зерна. Засуха в США в 2012 году, усугубляемая переходом Ла-Нинья и устойчиво сильным хребтом высокого давления, снижение урожайности кукурузы на 25% и стоимость десятков миллиардов долларов. В Африке к югу от Сахары, где доминирует сельское хозяйство, сезонные прогнозы, выпущенные Центром прогнозирования и применения климата IGAD (ICPAC) [[FLT: 1]], помогают фермерам решить, следует ли высаживать засухоустойчивый сорго или кукурузу, требующую воды.

Управление водными ресурсами

Хранение запасов, подзарядка подземных вод и инфраструктура контроля за наводнениями предназначены для того, чтобы справиться с исторической сезонной изменчивостью. Климатические аномалии могут напрягать эти системы. Снежный пакет в горных хребтах - критический источник воды для многих регионов - зависит от зимних осадков и весенних температур. Необычно теплая зима в Сьерра-Неваде может уменьшить снежный покров на 50%, что приводит к летней нехватке воды для сельскохозяйственных и городских районов Калифорнии. И наоборот, активный сезон муссонов может перегружать дамбы и вызывать катастрофические наводнения, как это видно в Пакистане во время наводнений 2022 года. Прогнозы сезонного потока, которые включают измерения эквивалента снеговой воды и сезонные климатические прогнозы, являются важными инструментами для операторов плотин и водных властей.

Общественное здравоохранение и болезни вектора-борна

Сезонная изменчивость непосредственно влияет на частоту заболеваний, передаваемых комарами, клещами и другими векторами. Температура и осадки влияют на выживаемость, размножение и скорость укусов векторов. Например, вирус денге передается комарами Aedes aegypti, которые процветают в теплых, влажных условиях. Событие Эль-Ниньо, которое увеличивает количество осадков в Юго-Восточной Азии, может вызвать всплеск случаев денге. Аналогичным образом, риск болезни Лайма в северо-восточных Соединенных Штатах достигает максимума весной и летом, когда нимфальные клещи наиболее активны. Агентства общественного здравоохранения используют сезонные климатические прогнозы для прогнозирования вспышек и распределения ресурсов. Программа CDC по климату и здоровью предоставляет руководство по интеграции климатической информации в эпиднадзор за болезнями.

Спрос на энергию и предложение

Энергетические системы чувствительны к сезонной изменчивости климата. Спрос на отопление зимой и спрос на охлаждение летом напрямую обусловлены температурными аномалиями. Особенно холодная зима в Европе может резко увеличить потребление природного газа, напрягая хранение и пропускную способность сети. И наоборот, летняя жара может перегружать системы кондиционирования воздуха, приводя к отключению электроэнергии. На стороне предложения гидроэнергетика зависит от притока водохранилищ, которые определяются сезонными осадками и таянием снега. Производство ветровой и солнечной энергии также варьируется в зависимости от погодных условий. Сезонное прогнозирование помогает коммунальным компаниям управлять энергетическими портфелями, планировать техническое обслуживание и планировать пиковые события спроса.

Измерение и прогнозирование сезонной изменчивости

Точные измерения и прогнозирование сезонной изменчивости климата требуют сочетания наблюдений, моделей и статистических методов.

Наблюдающие системы

На станциях погоды на месте океанские буи, радиозонды и спутниковые приборы обеспечивают непрерывный поток данных о температуре, осадках, температуре поверхности моря и влажности атмосферы. Глобальная историческая климатическая сеть (GHCN) объединяет ежемесячные данные о станциях из тысяч мест по всему миру, формируя основу для нормальных климатических условий и обнаружения аномалий. Спутники, такие как полярно-орбитальные операционные экологические спутники NOAA (POES) и система наблюдения Земли НАСА (EOS), отслеживают крупномасштабные модели, такие как Эль-Ниньо и реактивный поток в режиме реального времени.

Динамические климатические модели

Сезонное прогнозирование опирается на сопряженные модели океан-атмосфера, которые имитируют физические процессы, управляющие изменчивостью климата. Эти модели инициализируются текущими наблюдениями и интегрированы вперед в течение нескольких месяцев. Мастерство таких моделей исходит из их способности захватывать медленно развивающиеся компоненты, такие как теплосодержание океана и протяженность морского льда. Крупные операционные центры, включая ECMWF, Национальные центры США по прогнозированию окружающей среды (NCEP) и Метеорологическое бюро Великобритании, управляют мультимодельными ансамблями для учета неопределенности начальных условий и смещений модели. Североамериканский мультимодельный ансамбль (NMME) объединяет результаты нескольких моделей США и Канады для получения вероятностных сезонных прогнозов температуры и осадков по всему континенту.

Статистические методы и машинное обучение

Дополняя динамические модели, статистические подходы используют исторические связи между переменными-предсказателями (такими как модели SST) и сезонными результатами. Эти методы варьируются от простой линейной регрессии до сложных нейронных сетей. Например, связь между индексом Южной осцилляции и австралийскими осадками использовалась в течение десятилетий для прогнозирования зимних осадков. Алгоритмы машинного обучения в настоящее время обучаются на больших наборах данных повторного анализа для выявления новых телесвязей и улучшения навыков прогнозирования, хотя они требуют тщательной проверки, чтобы избежать переобучения шумным данным.

Проблемы сезонного прогнозирования

Несмотря на достижения, прогнозирование сезонной изменчивости климата остается сопряженным с трудностями. Атмосфера по своей природе хаотична, с небольшими ошибками в начальных условиях быстро растет. В отличие от прогнозов погоды (которые детерминированы примерно до 10 дней), сезонные прогнозы по своей природе вероятностны - они обеспечивают вероятность того, что условия будут выше, вблизи или ниже нормы. Более того, предсказуемые сигналы, такие как ENSO, часто слабы или отсутствуют, особенно во время весеннего "барьера предсказуемости", когда переходы ENSO труднее всего симулировать. В экстратропиках внутренняя атмосферная изменчивость может перегружать вынужденный сигнал, что приводит к низкой квалификации в таких регионах, как Европа зимой. Моделирование смещения - такие как постоянная тенденция переоценивать тропические осадки в западной части Тихого океана - также ухудшает качество прогноза.

Усилия по преодолению этих проблем включают в себя улучшение разрешения моделей, лучшее представление процессов субсетевого масштаба, таких как конвекция, и разработку систем ассимиляции связанных данных, которые оптимально сочетают наблюдения в начальных условиях модели.Рабочая группа по совместному моделированию Всемирной программы исследований климата (WCRP) координирует международные усилия по продвижению возможностей прогнозирования от сезона к десятилетию.

Стратегии адаптации и управления

Учитывая присущую сезонным прогнозам неопределенность, стратегии адаптации направлены на повышение устойчивости в различных временных рамках.

Устойчивое сельское хозяйство

Фермеры могут снизить уязвимость за счет диверсифицированных севооборотов, засухоустойчивых сортов и гибких графиков посадки. Страховые продукты на основе индексов, которые вызывают выплаты на основе сезонных дефицитов осадков или излишеств, обеспечивают финансовую защиту в регионах, где рыночное страхование недоступно. Программы Всемирного банка по страхованию на основе индексов помогли миллионам мелких фермеров в Африке и Южной Азии управлять сезонными рисками.

Комплексное управление водными ресурсами

Водные агентства принимают комплексные подходы, которые сочетают сезонные прогнозы с управлением спросом и гибкостью инфраструктуры. Динамические правила эксплуатации водохранилищ, которые корректируют графики выбросов на основе прогнозов притока, могут повысить надежность водоснабжения при сохранении способности к защите от наводнений. В бассейне реки Колорадо Бюро мелиорации США использует сезонные прогнозы снежного покрова для распределения воды между штатами, с планами на случай непредвиденных обстоятельств на периоды засухи.

Системы раннего предупреждения

Для экстремальных сезонных событий, таких как волны тепла, засухи и наводнения, системы раннего предупреждения имеют решающее значение. Глобальное сезонное климатическое обновление Всемирной метеорологической организации предоставляет вероятностные прогнозы дважды в год, помогая национальным метеорологическим службам выпускать оповещения. В Восточной Африке сеть систем раннего предупреждения о голоде (FEWS NET) объединяет сезонные прогнозы осадков с данными о продовольственной безопасности для выпуска предупреждений о потенциальных гуманитарных кризисах за несколько месяцев до этого.

Взгляд в будущее

Сезонная изменчивость климата является неотъемлемой чертой климатической системы Земли, обусловленной тонким взаимодействием между солнечной радиацией, океанами и атмосферой. По мере потепления климата меняется характер сезонной изменчивости: волны тепла становятся все более интенсивными и более частыми, меняются модели осадков, а сам сезонный цикл меняется. Продолжающиеся инвестиции в сети наблюдений, климатические модели с высоким разрешением и междисциплинарные исследования необходимы для поддержания и улучшения сезонных прогнозов, на которые полагаются миллиарды людей для питания, воды и безопасности. Объединив научное понимание с практической адаптацией, общества могут ориентироваться в неопределенности сезонной изменчивости климата в мире потепления.